НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o035.pdf (848.46Кб)

УДК 620.97

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 2 Институт Механики МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Представленная статья рассматривает влияние одного из критериев подобия – числа Прандтля газа (Pr) на эффективность работы устройства безмашинного энергоразделения (трубы Леонтьева) с помощью численного моделирования в среде OPENFOAM. Это уст-ройство, как и трубы Ранка-Хилша и Гартмана-Шпренгера, предназначено для разделения одного потока газа на два потока с разными температурами. Один поток (сверхзвуковой) выходит с температурой большей, чем исходная, а другой (дозвуковой) меньшей чем ис-ходная. Это направление энергоразделения справедливо при числе Прандтля, меньшем 1,0, что соответствует газам.
Число Прандтля косвенным образом влияет на эффективность работы трубы Леонтье-ва через перепад температур, на который влияет коэффициент восстановления температу-ры и через коэффициент теплопередачи, который отражает влияние интенсивности теплообмена между газом и твердой стенкой.
Диапазон чисел Прандтля, при котором проводилось исследование составляло от 0,1 до 0,7. Значение числа Прандтля, равного 0,7 соответствует воздуху или чистым газам (например инертному газу аргону), равного 0,2 соответствует смесям инертных газов типа гелий-ксенон.
Для случая скорости сверхзвукового потока, равной 2,0 М численным моделировани-ем показано, что эффективность устройства безмашинного энергоразделения увеличива-ется примерно в 2 раза при уменьшении числа Прандтля от 0,7 до 0,2. Причем для проти-воточной схемы течения этот эффект несколько больше, что связано с ее большой тепло-вой эффективностью по сравнению с прямоточной.
Кроме того, проведенное исследование показало, что основной проблемой при даль-нейшем увеличении эффективности трубы Леонтьева является небольшое значение коэф-фициента теплоотдачи, которое требует интенсификации теплообмена, особенно в сверх-звуковом потоке. Это может быть достигнуто, например системой косых скачков в сверх-звуковом канале устройства.

Работа выполнена при поддержке Российского национального фонда. Грант № 14-19-00699.

1. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор) // Теплофизика высоких температур . 2014. Т. 52, № 2. С. 310-322. DOI: 10.7868/S0040364413060069
2. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассобмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энегоатомиздат, 1985. 496   с.
3. Грязнов Н.Д., Епифанов В.Л., Манушин Э.А. Теплообменные устройства газотурбинных и комбинированных установок: учеб. пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Турбостроение». М.: Машиностроение, 1985. 360 с.
4. Леонтьев А.И., Бурцев С.А., Визель Я.М., Чижиков Ю.В. Экспериментальное исследование газодинамической температурной стратификации природного газа // Газовая промышленность. 2002. № 11. С. 72-75.
5. Бурцев С.А. Исследование температурного разделения в потоках сжимаемого газа: дис. ... канд. техн. наук. М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 124 с.
6. Бурцев С.А. Исследование устройства температурной стратификации при работе на природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 9. DOI:10.7463/0904.0516097
7. Бурцев С.А. Исследование работы устройства температурной стратификации на воде и природном газе // Наука и образование. МГТУ им . Н . Э . Баумана . Электрон . журн . 2005. № 5. DOI:10.7463/0505.0529473
8. Здитовец А.Г., Титов А.А. Экспериментальное исследование газодинамического метода безмашинного энергоразделения воздушных потоков // Тепловые процессы в технике. 2013. № 9. С. 391-397.
9. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование температурной стратификации воздушного потока, протекающего через сверхзвуковой канал, с центральным телом в виде пористой проницаемой трубки // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2013. № 5. С. 134-145.
10. Виноградов Ю.А., Егоров К.С., Попович С.С., Стронгин М.М. Исследование тепломассообмена на проницаемой поверхности в сверхзвуковом пограничном слое // Тепловые процессы в технике. 2010. № 1. С. 7-9.
11. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 488 с.
12. Макаров М.С. Газодинамическая температурная стратификация в сверхзвуковых потоках: автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 2007. 16 с.
13. Tournier J.P., Mohamed S.E. Properties of noble gases and binary mixtures for closed Brayton Cycle application // Energy Conversion and Management. 2008. Vol. 49, iss. 3. P. 469-492. DOI: 10.1016/j.enconman.2007.06.050
14. Tournier J.P., Mohamed S.E. Noble gas binary mixtures for gas-cooled reactor power plants // Nuclear Engineering and Design. 2008. Vol. 238, iss. 6. P. 1353-1372. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2007.10.021
15. Taylor M.F., Bauer K.E., McEligot D.M. Internal forces convection to low-Prandl-number gas mixtures // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1988. Vol. 31, no.1. P. 13-25. DOI:10.1016/0017-9310(88)90218-9
16. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: пер. с англ. М .: Энергоатамиздат , 1984. 152 с . [Patancar S. Numerical heat transfer and fluid flow. New York: Hemisphere Publishing Corporation, 1980. 124 p.]
17. Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений: учеб. пособие. СПб .: Изд - во Балт . гос . техн . ун - та , 2001 . 108  с.
18. McEligot D.M., Taylor M.F. The turbulent Prandtl number in the near-wall region for low-Prandl-number gas mixtures // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1996. Vol . 39, no . 6. P .   1287-1295. DOI:10.1016/0017-9310(95)00146-8
19. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720   с.
20. Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния доли гелия на значение критерия Прандтля газовых смесей // Наука и образование. МГТУ им . Н . Э . Баумана . Электрон . журн . 2014. № 5. С . 314-329. DOI:10.7463/0514.0710811
21. Johnson P.K. A Method of Calculating Viscosity and Thermal Conductivity of Helium-Xenon Gas Mixture. Technical Report NASA/CR-2006-214394. NASA, 2006. 13 p.
22. Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния падающего скачка уплотнения на адиабатную температуру стенки в сверхзвуковом потоке сжимаемого газа // Тепловые процессы в технике. 2014. № 3. С. 98-104.
23. Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М., Титов А.А., Медвецкая Н.В. Экспериментальное исследование особенностей теплообмена при вдуве гелия через проницаемую поверхность в сверхзвуковой поток аргона // Тепловые процессы в технике. 2012. № 6 . С. 253-261.
24. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Макарова М.С. Численное исследование течения в трубе с отсосом газа через проницаемые стенки // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2014. № 3. С. 74-81.