Сочинение на тему Исследование параметров дульного сечения на струйном ударе для эффективных методов теплопередачи с использованием CFD

Аннотация:

Цель статьи – проанализировать все параметры конструкции сопла и оптимизировать его конструкцию, чтобы затмить лучший процесс теплообмена, который, следовательно, улучшит охлаждение поверхности. Обсуждаемыми параметрами, которые необходимо изучить, являются диаметр горловины, длина сопла, диаметр входного и выходного отверстий, кривизна границы сопла и функция площади профиля внешней стенки. Модель сопла была разработана на Gambit 2.2.0 как осесимметричный профиль сопла. Затем модель была объединена в самом Gambit с помощью встроенного алгоритма метода конечных элементов, после чего имитировалось CFD на Fluent 6.1.26 на основе препроцессора GAMBIT. Зафиксировав диаметры впускного и выпускного отверстий и длину сопла, были разработаны различные модели с переменным отношением диаметра горловины к входному отверстию, граничным профилем и функцией площади, которая варьировалась как A = 0,1 + x2, был проведен анализ и составлены результаты для подведения итогов. Скомпилированные результаты показали, что переход от профиля сопла CD к профилю трубы улучшил охлаждение поверхности.

<Р> Ключевые слова:

Сопло, CFD, реактивный удар, GAMBIT, FLUENT

Введение:

Эксперименты со струйным столкновением проводятся для изучения влияния профиля сопла на теплообмен сжимаемых дозвуковых струй. Струйный удар – очень широко используемый метод для эффективной передачи тепла. Падающие турбулентные сжимаемые струи имеют широкий спектр применений, таких как охлаждение компонентов и лопаток газотурбинного двигателя, предварительный нагрев и охлаждение металлических деталей на мельницах, сушка ткани и бумаги и охлаждение электронных компонентов и т. Д. Эти струи могут быть созданы. из прямой трубы, профильного сопла или отверстия в зависимости от его применения, его стоимости изготовления и доступного пространства. Во всех этих устройствах свойства потока на выходе из сопла, а именно. скорость потока, интенсивность турбулентности, падение давления в осевом направлении и т. д. различны для каждой формы сопла. Таким образом, структура потока будет отличаться для разных форм сопла. Это различие в структуре потока влияет на локальный теплообмен для струйного удара. Целью настоящего исследования является выявление различий в скоростях теплопередачи струи с ударом из-за осесимметричной сжимаемой струи, выходящей из сопел, из-за различных начальных условий.

Мы стремимся понять поле и механизмы столкновения струй с целью выявления предпочтительных методов прогнозирования характеристик струи. Ударные струи обеспечивают эффективный и гибкий способ передачи энергии или массы в промышленных применениях. Направленный жидкий или газообразный поток, выделяющийся на поверхность, может эффективно передавать большое количество тепловой энергии или массы между поверхностью и жидкостью. Применения теплопередачи включают охлаждение исходного материала во время процессов формования материала, термообработку, нагрев оптических поверхностей для удаления запаха, охлаждение компонентов турбины, охлаждение критических структур машин и многие другие промышленные процессы. В примере применений охлаждения турбины могут быть использованы сталкивающиеся струйные потоки для охлаждения нескольких различных секций двигателя, таких как корпус камеры сгорания (стенки камеры сгорания), корпус / гильза турбины и критические высокотемпературные лопатки турбины. Компрессор газовой турбины обеспечивает устойчивый поток сжатого воздуха при температурах, более низких, чем температуры турбины и потока горячих газов вокруг него. Лопатки охлаждаются с помощью сжатого отводимого потока, как правило, доступны при 600oC. Отводимый воздух должен охлаждать турбину, погруженную в газ с общей температурой 1400 ° С, что требует коэффициентов переноса в диапазоне 1000–3000 Вт / м2 К. Это равняется тепловому потоку порядка 1 МВт / м2. Способность охлаждать эти компоненты в высокотемпературных областях обеспечивает более высокие температурные отношения цикла и более высокую эффективность, улучшая экономию топлива и повышая выходную мощность турбины на единицу веса. По сравнению с другими устройствами для тепломассопереноса, в которых не используется фазовое изменение, устройство для струйного удара обеспечивает эффективное использование жидкости и высокие скорости переноса. Например, по сравнению с обычным конвекционным охлаждением за счет постоянного потока, параллельного (под) охлаждаемой поверхности, струйный удар создает коэффициенты теплопередачи, которые в три раза выше при данной максимальной скорости потока, потому что граничные слои столкновения намного тоньше, и часто отработанный поток после удара служит для турбулентности окружающей жидкости. Учитывая требуемый коэффициент теплопередачи, поток, требуемый от устройства с падающей струей, может быть на два порядка меньше, чем тот, который требуется для подхода к охлаждению с использованием свободного параллельного стенке потока. Для более равномерного покрытия больших поверхностей можно использовать несколько струй. Охлаждение при столкновении также предлагает компактную аппаратную компоновку. Насадки представляют собой устройства, которые используются для изменения свойств жидкости путем пропускания жидкости через профиль заданной формы. Сопло преобразует энтальпию в кинетическую энергию и, таким образом, помогает изменять свойства жидкости. Таким образом, проектирование сопла включает ряд параметров, таких как радиус горловины, радиусы входа и выхода и т. Д. Следовательно, изменение этих параметров может привести к изменению свойств жидкости на выходе для заданных входных условий.

Наиболее известные из известных применений струйного удара:

 
• Охлаждение компонентов и лопаток газовой турбины

 

• Предварительный нагрев и охлаждение частей муки в мельницах

 

• Сушка ткани и бумаги

 

• Охлаждение электронных компонентов

 

• Охлаждение исходного материала во время процесса формования материала

 

• Процессы термообработки

 

• Нагрев оптических поверхностей для удаления запотевания

 

• Охлаждение критических машинных конструкций и многих других промышленных процессов

 

• Тепловыделение в реактивных двигателях.

Методология:

Анализ потока жидкости выполняется с использованием вычислительной динамики жидкости и моделируется на Fluent 6.1.26 на основе препроцессора GAMBIT. Методы CFD – это методы анализа методом конечных элементов, которые реализуют методы построения сетки, а затем решают проблему в определенной области и условиях с помощью подходящей модели. Входные, выходные и рабочие условия предварительно определяются на этапе определения решателя и граничных условий. Фиксированные условия на входе анализ выполняется на условиях выхода путем изменения параметров форсунки. Отчеты анализа, полученные затем на постпроцессоре, представляют собой графики, контуры и изменения параметров, таких как статическое давление и температура, профиль скорости, изменения числа Маха (в основном, скорости) и т. Д. Затем эти результаты используются для определения наиболее предпочтительных параметров и, следовательно, оптимизировать размеры сопла.

Постановка проблемы:

Для данного сопла с функцией площади, определяемой как, A = 0,1 + x2, анализ потока жидкости должен выполняться с учетом осесимметричного потока и условий на входе, заданных как: полное манометрическое давление = 101325 Па, начальное манометрическое давление = 99348 Па и Температура = 300 К, а условия на выходе представлены как, Манометрическое давление = 3738,9 Па и Постоянная температура = 300 К. Анализ должен проводиться с использованием воздуха в качестве рабочей жидкости и рассмотрения его в качестве идеального газа.

Моделирование

Геометрия разработана в GAMBIT с функцией предоставления площади. Края оси, грани граней, кромки входа и выхода создаются после построения всех вершин. Поскольку проблема решена для осесимметричного условия, профиль сопла над осью должен быть нарисован только, так как решатель будет повторять результаты для другой половины профиля сопла. Затем создается поверхность сопла, которая является рабочей областью для жидкости.

Хруст:

Методы CFD, как и любой другой метод структурного анализа или вибрационного анализа, основаны на методе конечно-элементного анализа. Следовательно, Fluent, который решает проблемы с потоком жидкости, также работает с методом конечных элементов. Таким образом, для любого анализа FDM или FEM или FVM необходимо разделить геометрию на конечные области или элементы, для которых отдельные параметры потока рассчитываются численными методами, а затем результаты объединяются для получения необходимых графиков, контуров и диаграмм потоков частиц. , Следовательно, создание сетки осуществляется путем предварительного разделения входных и выходных кромок на 20 одинаково разнесенных узлов, а грань и осевой край – на 50 равномерно разнесенных узлов. После того, как края разделены на узлы, грань становится сетчатой, что включает в себя соединение узлов, созданных на краях заранее определенным образом, и, таким образом, погружение грани в небольшие элементы различных размеров. Сетчатая геометрия изображена на следующем рисунке.

Определение и моделирование графиков: