В работе методом численного эксперимента проведена оценка возможности использования вставного прибора для измерения полного давления в потоках с заданными высокими параметрами. Рассмотрена методика расчета теплового состояния вставного прибора при использовании для его охлаждения воды с определёнными свойствами. Проведен анализ полученных результатов.
Ключевые слова: теплообмен, тепловое состояние, численный эксперимент.
Исследование характеристик высокоэнергетических потоков важно для понимания особенностей работы конструируемых устройств большой мощности. Разрабатываемый вставной прибор предназначен для измерения полного давления в потоке в условиях высоких тепловых и гидравлических нагрузок. Прежде чем изготовить изделие в металле и провести натурные испытания, необходимо выполнить теоретический расчёт температурного поля в конструкции при работе прибора в самых максимально нагруженных условиях.
Задача ставилась следующим образом: цилиндрический вставной прибор с отборами давления, выполненными заподлицо с лобовой поверхностью, погружается в исследуемый газовый поток. Общая схема течения показана на рисунке 1 ниже.
Необходимо оценить возможность долговременной работы пятиточечного вставного прибора как инструмента для измерения давления в потоке. Измеренное поле давлений по сечению потока важно, поскольку с его помощью можно восстановить профиль скорости по каналу, оценить локальные коэффициенты теплоотдачи, выполнить более точные расчёты теплового состояния тел помещенных в исследуемый поток. Это позволит оптимизировать конструкцию работающих элементов, продлить срок их службы.
Рис. 1 Общая схема задачи
Рис. 2. Общий вид спроектированного вставного прибора.
Численный эксперимент проводился в программе FloEFD в графической среде NX.
Программа FloEFD разработана компанией Mentor Grafics, и представляет собой встроенный в трёхмерную систему проектирования NX программный модуль для численного решения гидравлических и тепловых задач. Он включает в себя следующие возможности: построение расчетной сетки с возможностью настройки параметров сетки либо же автоматическим подбором параметров, задание граничных условий, выполнение расчёта и визуализация, а также обработка полученных результатов. Такая надстройка над программным пакетом NX особенно удобна при проектировании нового изделия, поскольку в процессе оформления задачи позволяет быстро адаптировать модель изделия для большей эффективности.
Достаточно лаконично и точно особенности программы FloEFD описаны в [1, 3]. Программа FloEFD решает осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса, замкнутые k-ε моделью турбулентности с демпфирующими функциями, предложенными Лэмом и Бренхорстом, с учетом модели пограничного слоя, уравнения сохранения массы, момента и энергии. Для разрешения пограничного слоя используется метод двухмасштабных пристеночных функций, который включает в себя пристеночную функцию с использованием «подсеток» в пограничном слое. Данный метод состоит в сочетании двух подходов, которые объединяют решения в пограничном слое и внешнем потоке. Первый подход, так называемый «толстый» пограничный слой — используется при моделировании пограничного слоя плотной сеткой, когда количество ячеек в погранслое достигает 6 или более. В этом случае параметры ламинарного пограничного слоя находятся из уравнений Навье–Стокса, а турбулентный погранслой моделируется известными пристеночными функциями основанными на демпфирующей функции Ван–Драйста, которая позволяет разрешать не только логарифмическую зону, как в классическом подходе, но и вязкий подслой с буферной зоной. Второй подход — «тонкого» пограничного слоя (ПС) используется при моделировании ПС разреженной сеткой. В этом приближении уравнения Прандтля для ПС интегрируются вдоль нормали к поверхности, от 0 (на стенке) до динамической толщины ПС δ и решаются вдоль линий тока на поверхности стенки. В промежуточных случаях используется объединение двух представленных выше подходов, включающее гладкий переход между обеими моделями в местах уплотнения сетки или утолщения ПС на поверхности. Такой подход позволяет преодолеть ограничения обычного CFD кода, связанные с необходимостью построения очень густой сетки вблизи стенки с ПС. Например, при решении задач в Ansys CFX пристеночные области моделируются напрямую для корректного описания ПС, но это приводит к увеличению числа ячеек в сетке, поскольку происходит уплотнение ячеек в пристеночной области. В свою очередь, это приводит к значительному увеличению времени решения задачи и повышает требования к аппаратной части ЭВМ. В случае, когда время, отведенное на расчёт, ограничено, необходимо как-то оптимизировать задачу, чтобы получить адекватное решение в короткие сроки. Необходимо исключать слишком сложные элементы и заменять их более простыми моделями физических процессов.
Было рассмотрено два варианта течения охлаждающего теплоносителя. Первоначально (вариант Б) рассматривали подачу охладителя в переднюю полость прибора, а затем выдув через трубу в задней части. При такой схеме течения наблюдается некоторый подогрев охладителя при достижении им нижней точки вставного прибора. Было обнаружено, что в такой схеме охладитель туда подходит с повышенной температурой, и в то же время такая организация течения приводит к пониженным значениям коэффициента теплоотдачи (КТО) на внутренней поверхности нижней точки прибора. Поэтому температура материала конструкции в этой области опасно повышается, и при достижении стационарного режима внешняя поверхность будет подвергаться оплавлению. Следующим шагом была рассмотрена подача охладителя сперва в трубку в задней части вставного прибора (вариант А), тогда течение охладителя организуется по противоположному пути. Происходит выход охладителя в нижней части прибора как раз в области высоких температур — обеспечивая на этих поверхностях высокие КТО и, одновременно, пониженную температуру охладителя. Это в целом улучшает тепловое состояние исследуемой конструкции. В дальнейшем рассматривали схему течения по варианту А.
Рис. 3. Рассмотренные схемы течения теплоносителя внутри вставного прибора
Был создан проект задачи с граничными условиями, показанными на рисунке 4. Капиллярные трубки отборов давлений размещены внутри охлаждаемой полости и оказывают влияние на поток охлаждающей воды, оно было смоделировано с помощью последовательного перекрытия проходного сечения в передней части измерительного прибора. Поскольку в FloEFD решалась задача сопряженного теплообмена, то для ограничения расчётной области обтекающего вставленный прибора потока был смоделирован короб. На внутренних поверхностях его задавалось идеальное обтекание и адиабатические условия снаружи. Поверхность короба по фронту измерительного прибора была источником набегающего потока, поверхность за вставленным прибором стоком. Небольшая верхняя часть вставного прибора была помещена в воздушную среду с нормальными условиями. На внешней поверхности этой части задавался КТО из соображений свободной конвекции окружающего воздуха. Коэффициент КТО вычислялся по известной формуле [2]
Рис. 4. Постановка задачи для FloEFD
В результате решения было получено поле скоростей, как показано на рисунке 5. Наиболее интересная и важная часть показана на рисунке 5(б). Видно, что охлаждающая вода подается из трубки в задней части прибора и равномерно омывает поверхности в нижней части.
Рис. 5. Течение потока вокруг погружной части прибора и течение охладителя в полости прибора (а)
Полученные температуры охладителя показаны на рисунке 6. Необходимо отметить, что температура воды при выходе из охлаждаемого прибора достигает 413 К (140°С), что соответствует давлению насыщения воды около 4 кгс/см 2 [2].
Полученные температуры в теле вставного прибора показаны на рисунке 7. В представленной конструкции можно выделить особо нагретую нижнюю поверхность, которую омывает поток охладителя, подающийся из трубы в задней части, как показано на рисунке 3.
Рис. 6. Температура охлаждающей воды в процессе охлаждения
Рис. 7. Температура в погружной части вставного прибора в процессе работы
Кроме того, надо обратить внимание, что в эту же область подводится наибольшее количество тепла, поскольку площадь поверхности омываемой горячим потоком значительно превышает площадь, с которой отводится тепло, а КТО на поверхностях имеют сопоставимые значения. Анализируя полученные поля распределения температур в теле вставного прибора необходимо обратить внимание на достигнутые температуры на внутренних поверхностях, охлаждаемых водой. Эта температура местами доходит до ~800 К (~550°С). При такой высокой температуре поверхности невозможно существование жидкой воды и конвективного теплообмена при условиях, рассматриваемых в задаче. Необходимо рассматривать теплообмен при кипении как минимум на охлаждаемой лобовой поверхности. Такая работа будет проведена в ближайшем будущем.
Выводы
Необходим глубокий анализ получаемых в ходе численных экспериментов данных, потому что расчёт выполняет машина по заданному алгоритму. Результаты численного эксперимента получены в рамках некой теоретической модели. Необходимо, чтобы эта модель соответствовала реальным процессам в технической системе. Таким образом, трудоёмкость современного численного эксперимента, по мнению авторов, становится сопоставима с классическим модельным экспериментом.
Литература:
- Вершков В. А., Крицкий Б.С, Махнёв М. С.,Миргазов Р. М., Требунских Т. В. «Сравнение результатов численного моделирования обтекания несущего винта в различных пакетах программ», Труды МАИ, Выпуск № 89, 2016.
- Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1975, — 488 с.
- Simcenter FLOEFD™ for NX™Technical Reference.
