НИИ механики МГУ
Одним из наиболее распространенных критериев оценки теплогидравлической эффективности каналов и трактов теплообменного и энергетического оборудования является коэффициент аналогии Рейнольдса – отношение коэффициента теплоотдачи, определяющего интенсивность теплообмена, к коэффициенту сопротивления, определяющего суммарные потери давления. Практически во всех методах интенсификации теплообмена (поверхностные турбулизаторы в виде ребер, штырьков, спиралей, вихревых камер и т.п.) коэффициент аналогии Рейнольдса снижается по сравнению с течением без интенсификаторов. Однако существуют отдельные перспективные способы интенсификации теплообмена, в которых наблюдается обратная тенденция опережающего роста теплообмена по сравнению с увеличением сопротивления: течение с положительным градиентом давления [1], использование вихреобразующего рельефа, формирование областей отрыва пограничного слоя и областей взаимодействия скачков уплотнения с пограничным слоем [2]. В данной работе внимание сконцентрировано на исследовании аналогии Рейнольдса в отрывной области сверхзвукового потока.
Исследование проводилось на сверхзвуковом аэродинамическом стенде АР-2 с использованием систем регистрации данных National Instruments, автоматизированных программ опроса и обработки показаний датчиков в среде LabView, термопар с термокомпенсацией, тепловизора и методов визуализации с помощью теневого прибора Теплера [3]. Число Маха набегающего потока варьировалось в диапазоне 2.0-3.0, температура торможения составляла около 293 К, число Рейнольдса, рассчитанное по длине динамического пограничного слоя от горла сопла, не менее 2·107.
1.Kiselev N.A., Leontiev A.I., Vinogradov Y.A., Zditovets A.G., Popovich S.S. Heat transfer and skin-friction in a turbulent boundary layer under a non-equilibrium longitudinal adverse pressure gradient // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2021. Vol. 89. P. 108801.
2.Leontiev A.I., Popovich S.S., Vinogradov U.A., Strongin M.M. Experimental research of supersonic aerodynamic cooling effect and its application for energy separation efficiency // Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference, IHTC-16. 2018. V. 212244. 8 p.
3.Попович С.С. Особенности автоматизации эксперимента и обработки результатов при исследовании теплообмена в сверхзвуковом потоке сжимаемого газа // Программная инженерия. 2018. № 1. С. 35–45.
Сергей Станиславович Попович
Томский государственный университет
За последние несколько лет многие фундаментальные исследования теплопереноса касались явления естественной конвекции в замкнутых пространствах из-за его важности и многочисленных технологических приложений в различных областях, таких как: энергоэффективное проектирование зданий, эксплуатация и безопасность ядерных реакторов, системы пассивного охлаждения электронных компонентов [1]. Интенсификация охлаждения электронных устройств напрямую зависит от рабочей жидкости в системе. Известно, что псевдопластические жидкости улучшают теплообмен за счет уменьшения вязкости при высокой скорости деформации. Также, улучшить теплообмен можно с помощью добавления наночастиц в базовую среду [2]. В настоящее время такой подход интенсификации естественно-конвективного теплообмена является очень популярным и перспективным. Однако, математическое описание динамики неньютоновской наножидкости является сложным процессом.
Целью данного исследования является сравнение теоретических и экспериментальных моделей, используемых для описания эффективной вязкости и теплопроводности наножидкости, в рамках задачи естественно-конвективного теплообмена в замкнутой полости с тепловыделяющим участком нижней стенки. Геометрическая область исследования изображена на рисунке 1. В качестве базовой неньютоновской среды использовалась смесь карбоксилметилцеллюлоза/вода (0.0%-0.3%), которая проявляет псевдопластический характер. В качестве материала наночастиц были проанализированы следующие вещества: Cu, Al2O3, CuO, TiO2. Характеристики базовой смеси и материалов наночастиц представлены в [3].
Математическая модель была сформулирована на основе законов сохранения массы, импульса и энергии в преобразованных безразмерных переменных «функция тока – завихренность». Неньютоновский характер течения жидкости описывался степенным законом Оствальда-де-Виля. Численное моделирование было проведено с использованием метода конечных разностей на равномерной прямоугольной сетке [4]. Программный код был написан на языке C++ и протестирован на модельных задачах. Проанализировано влияние определяющих параметров на изолинии функции тока и температуры, а также на среднее число Нуссельта и среднюю температуру источника энергии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-79-20141).
1. Ouahouah A. et al. Natural convection within a non-uniformly heated cavity partly filled with a shear-thinning nanofluid and partly with air // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2021. Vol. 289. P. 104490.
2. Borode A.O., Ahmed N.A., Olubambi P.A. A review of heat transfer application of carbon-based nanofluid in heat exchangers // Nano-Structures & Nano-Objects. 2019. Vol. 20. 100394.
3. Maleki H. et al. Flow and heat transfer in non-Newtonian nanofluids over porous surfaces // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2019. Vol. 135. P. 1655–1666.
4. Loenko D.S., Shenoy A., Sheremet M.A. Effect of time-dependent wall temperature on natural convection of a non-Newtonian fluid in an enclosure // International Journal of Thermal Sciences. 2021. Vol.166.106973.
Дарья Сергеевна Лоенко
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН
Прогнозирование качества воздуха в городах сегодня является актуальной задачей. Наличие низких источников загрязняющих веществ от автотранспорта в виде газовых примесей и пылевых аэрозолей в воздухе в окрестности городских застроек приводит к ухудшению экологической обстановки и негативно влияет на здоровье человека. Изучение механизмов переноса примеси в турбулентном течении воздуха в окрестности систем плохообтекаемых тел, имитирующих различные типы застройки, позволяет получить новые данные о структуре течений, распределении концентраций примеси и локальных эффектах, возникающих в потоке. Эти данные могут быть использованы для оценки качества воздуха в городских каньонах и стать основой для разработки рекомендаций об оптимальных геометрических параметрах каньона, расположении фильтрующих и заградительных экранов и других мер снижения концентраций вредных выбросов.
В настоящем исследовании численно решена задача о переносе примеси гексафторида серы SF6, инжектируемой через систему линейных наземных источников, в воздухе в окрестности модельной конфигурации городского каньона с соотношением размеров W/H=1;2;3, где W – ширина каньона, H- высота каньона. Численное моделирование выполнено на основе решения 3D нестационарных уравнений Навье-Стокса, дополненных подходом DDES k-ε Realizable для описания турбулентных эффектов в течении и уравнением переноса для примеси. На первом этапе, для валидации расчетной модели использованы данные эксперимента [1], в котором проведено исследование течения воздуха с примесью в модельном городском каньоне с соотношением сторон W/H=1. По результатам валидации получено хорошее качественное и удовлетворительное количественное соответствие данных расчета и экспериментальных данных по профилям нормализованной концентрации примеси в характерных сечениях модели. На основе численного моделирования дано описание структуры течения среды «воздух-примесь» в окрестности каньона и анализ динамики вихревых структур на различные моменты времени. На втором этапе с использованием численной модели проведено параметрическое исследование влияния соотношения размеров каньона на распределение концентраций примеси вблизи подветренной и наветренной стенок каньона. Показано, что увеличение соотношения сторон каньона W/H приводит к существенному перераспределению примеси и снижению концентраций примеси в пешеходных зонах каньона.
1. Gromke C., Ruck B. Influence of trees on the dispersion of pollutants in an urban street canyon-Experimental investigation of the flow and concentration field // Atmos. Environ. 2007. Vol. 41, № 16. P. 3287–3302.
Светлана Алексеевна Вальгер
Институт вычислительного моделирования СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН
Термодиффузия (эффект Соре) - перенос массы компонентов смеси под действием разности температур. Данный эффект место во многих природных и технологических процессах. Термодиффузионная колонна - это экспериментальная установка для измерения коэффициентов термодиффузии. Корректные измерения возможны только при устойчивом конвективном движении смеси в колонне. Математическое моделирование позволяет наиболее полно описать термодиффузионный процесс, а также объяснить некоторые экспериментальные наблюдения [1]. В данной работе выполнено трехмерное численное моделирование разделения бинарной смеси этанол – вода с аномальным эффектом Соре в цилиндрической термодиффузионной колонне.
Средняя массовая доля этанола для исследуемой смеси равна 0.2204. При данной концентрации смесь обладает аномальным эффектом Соре. (более тяжелый компонент смеси – вода – накапливается в верхней части колонны, создавая потенциально неустойчивую стратификацию. Численное моделирование выполнено в программе Ansys Fluent 14.5 для двух колонн с разными зазорами между стенками и одинаковой высотой. Параметры колонн, физический свойства смеси и приложенные разности температур между стенками взяты из эксперимента, выполненного в университете Мондрагона (Испания) [1].
Результаты моделирования показывают, что разделение смеси зависит от параметров колонны (ширина зазора, отношение радиусов цилиндров). Согласно численному расчету, конвективное течение смеси в колонне I (рис. 1a) является всегда неустойчивым. Экспериментальные наблюдения для колонны II показывают, что конвективное течение и разделение смеси в ней устойчиво при достижении разности температур между стенками некоторого критического значения. Численное моделирование для этой колонны (рис. 1b) показывает, что разделение смеси устойчиво при всех приложенных разностях температур. Результаты исследования опубликованы в работе [2].
Работа поддержана Красноярским математическим центром, финансируемым Минобрнауки РФ в рамках мероприятий по созданию и развитию региональных НОМЦ (Соглашение 075-02-2020-1631).
Софья Владимировна Козлова
НИИ механики МГУ
Исследованию взаимодействия многофазных потоков с обтекаемыми телами посвящено множество работ [1]. Наличие даже небольшого количества примеси (доли процента) в основном потоке может приводить к значительным изменениям параметров на поверхности обтекаемого тела. В данной работе внимание сконцентрировано на влиянии впрыска водных капель в форкамере аэродинамической установки на температуру поверхности модели, установленной в сверхзвуковой рабочей части. Охлаждение обтекаемой стенки в этом случае может позволить повысить эффективность методов тепловой защиты, устройств безмашинного энергоразделения и способов интенсификации теплообмена [2].
В работе представлены результаты сравнительного исследования обтекания плоской модели сверхзвуковым однофазным и двухфазным (газо-капельным) потоками. Экспериментальные исследования проводились на сверхзвуковом аэродинамическом стенде АР-2 (схема стенда представлена на рисунке) с использованием систем регистрации данных National Instruments, автоматизированных программ опроса и обработки показаний датчиков в среде LabView, термопар с термокомпенсацией, зондовых измерений, тепловизора, методов визуализации лазерным ножом и с помощью масло-сажевого покрытия.
Проведена серия экспериментальных измерений темпа охлаждения плоской модели и распределения температуры поверхности, обтекаемой сверхзвуковым газовым и газо-капельным потоками [3]. Числа Маха набегающего потока варьировались в диапазоне от 2.0 до 3.0. Относительный массовый расход жидкости (массовая концентрация) составлял до 0.5%. Жидкость (дистиллированная вода) распылялась через каскад центробежных форсунок мелкодисперсного распыла в воздушный поток в форкамере.
1.Вараксин А.Ю. Обтекание тел дисперсными газовыми потоками (обзор) // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56. № 2. С. 282-305.
2.Leontiev A.I., Popovich S.S., Vinogradov U.A., Strongin M.M. Experimental research of supersonic aerodynamic cooling effect and its application for energy separation efficiency // Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference, IHTC-16. 2018. V. 212244. 8 p.
3.Попович С.С., Здитовец А.Г, Киселев Н.А., Виноградов Ю.А., Медвецкая Н.В. Измерение адиабатной температуры стенки плоской пластины, обтекаемой сверхзвуковым воздушно-капельным потоком // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2020. № 5.
Сергей Станиславович Попович
НИИ механики МГУ
Под термином «энергоразделение» понимается перераспределение полной температуры в потоке газа без совершения им внешней работы и теплообмена с окружающей средой. На входе в устройство энергоразделения – исходно сжатый газ, на выходе – охлажденный и подогретый газовые потоки. В технике известен способ сверхзвукового безмашинного энергоразделения газового потока (труба Леонтьева) [1]. Принцип действия способа: сжатый газ делится на два потока, первый разгоняется до сверхзвуковой скорости, а второй – дозвуковой поток – направляется с противоположной стороны от разделяющей потоки перегородки. В результате взаимодействия через теплопроводную перегородку сверхзвуковой поток разогревается, а дозвуковой охлаждается.
Одним из возможных применений способа сверхзвукового безмашинного энергоразделения является создание технологии предотвращение гидратообразования при редуцировании давления природного газа на газораспределительных станциях [2]. Интегральный дроссель-эффект снижения температуры природного газа составляет 4-6 градусов при снижении давления на 1 МПа. К гидратообразующим компонентам природного газа относятся метан, этан, пропан, изобутан, углекислый газ, сероводород и некоторые другие. Ранее было показано, что дроссель-эффект охлаждения газа при работе устройства на воздухе полностью перекрывается нагревом сверхзвукового потока от дозвукового.
В рамках данной работы проводится исследование прототипа устройства сверхзвукового безмашинного энергоразделения при работе на гидратообразующем компоненте природного газа – углекислом газе. В задачи исследования входило измерение распределения статического давления и температурного дроссель-эффекта при течении в канале сверхзвукового потока воздуха и углекислого газа в сравнении с течением в канале с дроссельной шайбой, а также оценка уровня нагрева сверхзвукового потока углекислого газа в исследуемом устройстве.
1.Leontiev A.I., Popovich S.S., Vinogradov U.A., Strongin M.M. Experimental research of supersonic aerodynamic cooling effect and its application for energy separation efficiency // Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference, IHTC-16. 2018. V. 212244. 8 p.
2.Попович С.С., Здитовец А.Г., Киселев Н.А., Макарова М.С. Использование метода сверхзвукового безмашинного энергоразделения при редуцировании давления природного газа // Тепловые процессы в технике. 2019. № 1. С. 2-15.
Сергей Станиславович Попович
