Иванова В.А., Шайкина А.А.
ВЛИЯНИЕ МАСШТАБНОГО ФАКТОРА НА ТЕРМОДИНАМИКУ ПРОЦЕССА ЭНЕРГОРАЗДЕЛЕНИЯ В ВИХРЕВЫХ ТРУБАХ *
Аннотация:
в данной статье численными методами исследовано влияние масштаба камеры энергоразделения на интегральные характеристики процесса энергоразделения
Ключевые слова:
вихревая труба, закрученное течение, крупномасштабные вихревые структуры, турбулентность
Анализ течения в камере энергетического разделения вихревых труб позволяет утверждать о существовании свободной анизотропной турбулентности сдвигового характера, обеспечивающей порождение и диссипацию турбулентности [4, 5]. Состояние турбулентной структуры зависит от превышения генерации турбулентной энергии над ее диссипацией. Исследование влияния масштаба вихревой камеры выполнено численным моделированием рабочего процесса с привлечением достоверных экспериментальных данных различных авторов [1, 3]. Объектом численных расчетов выбрана классическая вихревая труба с одним сопловым вводом и цилиндрической камерой энергоразделения, диаметры которой изменялись в диапазоне от 8 мм до 40 мм. Исследованный диапазон диаметров камеры энергоразделения входит в интервал критических диаметров dкр 5,6 мм и dкр 38,4 мм , предсказанных теоретически [4,5]. Относительная величина радиуса центрального отверстия диафрагмы у всех труб принималась равной 0,7 от радиуса камеры энергоразделения. Относительная длина камеры энергоразделения составляла 9 калибров. Относительная площадь соплового ввода у каждой трубы составляла 0,1 от площади проточной части камеры энергоразделения. Входные устройства тангенциального типа прямоугольной геометрии с соотношением сторон проточного контура h:b = 1:2. Для отвода подогретых масс газа в качестве дросселя в расчетах предполагалась на периферии кольцевая щель с относительной площадью проходного сечения 0,1. Охлажденные массы отводились через центральное отверстие диафрагмы. Математическая модель течения в камере энергоразделения описывалась: уравнением сохранения момента импульса, уравнением неразрывности, уравнением энергии, уравнением состояния, двухуровневой моделью турбулентности, обеспечивающей требуемый компромисс между затратами времени на расчет с вычислительной точностью. Течение трехмерное, осесимметричное. На стенках выдерживалось условие «прилипания», стенки считались адиабатными, стационарными. Расчет проводился до получения стационарного решения с величиной нормализованной невязки 10-5 . Учитывая рекомендации [2], в качестве граничных условий приняты полное давление и температура на входе, статическое давление на выходах. Численная визуализация картины течения в камере энергоразделения отражает существенную нестационарность турбулентного потока двух перемещающихся в противоположном направлении вихрей с формированием крупномасштабных вихревых структур в пристенной области, центр которых примерно совпадает с радиусом разделения вихрей 2 r . Отмечено, что чем меньше диаметр камеры энергоразделения, тем большее число крупномасштабных вихревых структур образуется по длине трубы, рис.1. С уменьшением величины диаметра вихревой трубы существенно снижается относительная длина камеры энергоразделения, примыкающая к сопловому вводу l ак , в которой осуществляется активный энергоперенос, приходящийся на основную его долю в совокупном транспорте энергии от приосевых слоев к периферийным. С точки зрения физической модели процесса энергоразделения влияние геометрического фактора, диаметра проточной части трубы, на величину её эффективности по охлаждению приосевого потока в основном зависит от соотношения генерации Г и диссипации D турбулентной энергии. Максимум по энергоразделению приходится на трубы с диаметром 30 мм, рис. 2. Исследование подтвердило, что основополагающую роль в процессе переноса энергии в форме тепла от приосевых слоев закрученного потока к периферийным выполняют генерируемые в процессе прецессии приосевого вихря крупномасштабные вихревые структуры. При этом перенос энергии происходит в направлении градиента температуры и на его реализацию затрачивается кинетическая энергия крупномасштабной турбулентности прецессионного движения. Проведенный в рамках гипотезы взаимодействия вихрей анализ генерации и диссипации турбулентной энергии позволяет дать аналитическое объяснение влияния масштабного фактора на характеристики вихревых труб по эффективности в зависимости от её диаметра.
Номер журнала Вестник науки №6 (27) том 1
Ссылка для цитирования:
Иванова В.А., Шайкина А.А. ВЛИЯНИЕ МАСШТАБНОГО ФАКТОРА НА ТЕРМОДИНАМИКУ ПРОЦЕССА ЭНЕРГОРАЗДЕЛЕНИЯ В ВИХРЕВЫХ ТРУБАХ // Вестник науки №6 (27) том 1. С. 168 - 172. 2020 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/3241 (дата обращения: 24.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2020. 16+