Гидродинамика в сопле

Поверка счётчиков воды

г. Новосибирск,

ул. Лазарева, д.33/1 оф. 920

тел. 287-63-99

Заказы принимаются:

На сегодня самым действенным способом сэкономить на оплате водоснабжения является установка счётчиков учёта расхода холодной и горячей воды. Они позволяют оплачивать только тот объём, который был использован. При этом вас не коснутся общедомовые расходы, порывы или расточительность соседей. Единственная проблема – необходимость периодической поверки счётчиков воды, которая позволит гарантировать, что полученные данные будут соответствовать действительности.

Её периодичность составляет от 4 до 6 лет в зависимости от рекомендаций, разработанных производителями приборов учёта, и их назначения (оборудование может быть предназначено для горячего или холодного водоснабжения).

В соответствии с действующим постановлением Правительства РФ № 354 процедура поверки водосчётчиков обязательна и периодичность её строго регламентирована: 4 года для оборудования ГВС и 6 лет – для ХВС.

В том случае, если процедура не будет пройдена то ТСЖ или управляющая компания могут начать начислять оплату уже по общедомовому счетчику, а это увеличит счета минимум в 2-3 раза.

Доступные решения

На сегодня есть несколько доступных вариантов действий, при которых может быть обеспечена точность работы приборов учёта.

Переустановка прибора учета

В этом случае необходимо подать заявку на переустановку водяного счётчика, специалист демонтирует оборудование и установит новое, после этого выписывается акт о введении в эксплуатацию.

Далее должна быть пройдена процедура регистрации в управляющей компании. Основной проблемой в данном случае становится то, что вся процедура требует достаточно больших затрат времени и денег на сам счётчик, услуги специалиста, регистрацию.

Тестирование на поверочном стенде

Способ для тех, кто не любит простых решений. В данном случае поверка водяных счётчиков выполняется следующим образом:

  • вы вызываете специалиста на дом;
  • самостоятельно (или мастер) снимаете прибор учета воды;
  • мастер устанавливает металлическую вставку на место демонтированного оборудования и фиксирует документально факт снятия счётчика, чтобы вы не оставались без воды на время проведения всех процедур;
  • вы относите прибор вместе с документацией на него (паспортом) в организацию с поверочным стендом;
  • в течение нескольких дней будет проходить тестирование;
  • после этого вы сможете получить прибор со свидетельством о том, что оборудование прошло процедуру с датой и клеймом поверителя;
  • снова вызывается мастер для монтажа и опломбирования.
  • В этом случае конечная стоимость поверки счетчика воды в зависимости от тарифов выбранной вами компании может существенно и не отличаться от первого варианта, но времени и сил в данном случае потребуется в любом случае немало.

    Поверка водяных счётчиков на дому

    Здесь всё просто. Процедура проходит так:

    1. подаёте заявку в организацию, которая предоставляет соответствующие услуги;
    2. на дом приезжает специалист и проводит все необходимые работы на месте (выполняется поверка счетчиков воды без снятия оборудования);
    3. при положительных результатах будет выдано соответствующее свидетельство;
    4. копию документа относите в ЕРЦ, УК или ТСЖ.
    5. Если стоит вопрос о том, что быстрее, дешевле и проще, последний из перечисленных вариант бесспорно вне конкуренции.

      • Поверка дешевле замены примерно в 2 раза.
      • Когда делается поверка, пломбы на счётчиках остаются на месте.
      • Счётчик, который не прошёл поверку, не оплачивается.
      • Время поверки занимает максимум 20 минут.
      • Вам не придётся вызывать специалистов УК для опломбировки.
      • Почему стоит обратиться именно к нам

        ООО «Гидродинамика» специализируется на поверке счетчиков воды, в Новосибирске мы работаем уже более 5 лет. Возможен выезд в любой из его районов и город Бердск. Кроме того, мы:

      • аккредитованная организация, которая выдаёт официальные документы;
      • выдаём кассовый чек об оплате и свидетельство о поверке, которое потом нужно будет отдать в управляющую компанию или ТСЖ;
      • имеем всё необходимое техническое обеспечение и команду дипломированных специалистов, позволяющих нам гарантировать высокое качество предоставленных услуг;
      • все работы выполним за 20 минут;
      • При неисправности счетчика плата не взимается.
      • Нужно только оставить заявку по тел 287-63-99, и мы приедем в удобное для вас время. Обращайтесь, будем рады помочь!

        Источник: http://xn--1-dtbjqtdcem5e1b.xn--p1ai/

        ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В ВИХРЕВОЙ ТРУБКЕ РАНКА-ХИЛША (вычислительный эксперимент)

        Пермь — 2003

        Работа выполнена на кафедре Прикладной математики и информатики в Пермском государственном университете

        Официальные оппоненты:

        Защита состоится__2003 г. в_ часов на заседании

        С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета

        Ученый секретарь диссертационного совета,

        Диссертация посвящена исследованию вихревого течения в вихревой трубке Ранка-Хилша.

        Актуальность проблемы. Эффект Ранка-Хилша был открыт в 1931 г. Французский ученый Ж. Ранк обнаружил при проведении экспериментов с циклонным пылеуловителем, что температура газа на оси была значительно ниже температуры газа на входе, а температура на периферии заметно выше. До сих пор многие экспериментаторы пытаются предложить гипотезы и подтвердить их экспериментами. При появлении новой гипотезы возникает новая волна исследований как в экспериментальной сфере, так и в теоретической. Течения в вихревых трубах, а также сопровождающие их процессы тепломассопереноса имеют не только научное значение, но и практическое. Вихревой эффект широко используется в авиа- и химической промышленности, в процессах нефте- и газопереработки, а также в холодильной промышленности. Вихревой эффект или эффект температурного разделения является основой для расчета и проектирования различных вихревых аппаратов.

        Настоящая работа, в которой изложены результаты вычислительных экспериментов, выполненных в 1999 — 2003 гг. состоит в постановке и решении физико-математических задач течения и теплообмена в вихревых трубах, расширяющих понимание физики этого сложного процесса.

        Методы исследования. Диссертация содержит результаты вычислительных экспериментов, основанных на общих законах гидродинамики и термодинамики, с использованием уравнений Навье-Стокса, уравнений энергии, теории разностных схем и программирования.

        Научная новизна работы заключается в том, что исследованы зависимости основных характеристик вихревой трубки от различных параметров задачи. Показано, что для объяснения вихревого эффекта Ранка-Хилша не требуется привлечения каких-либо гипотез при решении полных нелинейных уравнений газовой динамики и теплообмена.

        Научная и практическая ценность работы состоит в том, что получена новая информация о течениях внутри вихревых труб. Доказано, что описание процессов внутри вихревых аппаратов можно сделать на основе уравнений для вязкой теплопроводной среды (сжимаемой и несжимаемой). Найдены зависимости характеристик эффекта от геометрических параметров вихревой трубы.

        Школа-семинар «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность», Москва, 2000 г.;

        Международная конференция «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика», посвященная 80-летию академика Н. Н. Яненко, Новосибирск, 2001 г.;

        Третья Всероссийская научная ?тегпе1-конференция «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках», Тамбов, 2001 г.;

        13-я Зимняя школа по механике сплошных сред и Школа молодых ученых по механике сплошных сред;

        Личный вклад автора. Автором разработана схема и метод расчета уравнений газовой динамики в сложной геометрии, проведены многочисленные вычислительные эксперименты и выполнена их обработка и интерпретация.

        Содержание работы

        выход

        Схема течения в противоточной вихревой трубке согласно экспериментальным данным

        Вторая глава «Исследование течения несжимаемой жидкости в вихревой трубке» содержит постановку и решение задачи для «несжимаемой жидкости» (сжимаемость учитывалась только в уравнении теплопроводности).

        NeDr    0

        УВАЖАЕМЫЕ КОЛЛЕГИ!

        Примерно два месяца назад я начал пытаться углублённо заниматься вычислительной гидродинамикой. В моём распоряжении находится коммерческий CFD-продукт –fluent-, опыт работы с

        к которым сожалению ещё меньше. Начав работать с fluentОМ, я попытался провести ряд тестовых вычислений для течений, аналитические решения для которых известны. Проделанный мною грубый предварительный анализ задач, решаемых с помощью коммерческих CFD-кодов показал, что больше чем в 90% речь идет о течениях несжимаемых медиумов (образно говоря «пёстрые», убеждающие картинки большинстве случаев «несжимаемы»). Поэтому в качестве одного из первых тестов я выбрал простейшую на мой взгляд задачу о СТАЦИОНАРНОМ течении идеального, совершенного, невязкого газа в сопле ЛАВАЛЯ с адиабатически изолированными стенками и потерпел неудачу (об этом позже и конкретнее).

        Задано сопло ЛАВАЛЯ конической дивергентной частью:

        — длина конверг. части = 5.0 см,

        — конический угол сопла = 1.23°,

        — Радиус входа сопла = 2.859999 см,

        — Радиус горла сопла = 0.715 см,

        — Радиус выхода сопла = 2.148978 см,

        — Была построена регулярная сеть, содержащая 28750 Cells и 29926 Nodes

        c 25 делениями в радиальном направлении.

        **ФИЗИКА**

        — Газ (воздух)как идеальный, совершенный, невязкий медиум:

        — К-т сжимаемости = 1.402,

        — Молярная масса = 0.0289647 кг/моль,

        — КОТЁЛ:

        — Давление Р0 = 506625 Па = 5 бар,

        — Температура Т0 = 350° К.

        На основании этих данных сначала я вычислил соотношение площадей («выход-горло») и как следствие ДВА расчётных числа МАХА, соответствующие до- и сверхзвуковому изентропическим режимам движения, которые оказались равными:

        -> Дозвук Ма1 = 0.06420711

        -> Сверхзвук Ма2 = 3.8168350

        По определённым выше числам МАХА и условиям в котле я вычислил ДВА расчётных противодавления на выходе:

        -> Дозвук Ре1 = 505163.62 Па

        -> Сверхзвук Ре2 = 4289.3757 Па

        -> Разница давлений (Котел-Выход) для дозвука: DP1 = Р0 — Ре1 = 1461.3800 Па

        -> Разница давлений (Котел-Выход) для сверхзвука: DP2 = Р0 — Ре2 = 502335.62 Па

        Далее я попытался сначала численно (пошагово) воспроизвести ДОЗВУКОВОЙ РАСЧЁТНЫЙ РЕЖИМ, для которого я задал следующие установки fluentА:

        **ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ**

        — Operating Pressure: РО = Ре1 = 505163.62 Па

        — Pressure Inlet: Р0 = к*DP1/N = 1461,3800/12 = 121.782 Па <-

        (здесь к =1, первый шаг, N = 12)

        (Давление в котле я планировал увеливать пошагово -> к = 1,N)

        Т0 = 350° К

        — Pressure Outlet: Ре1 = 0.0 Па

        Тb = 350° К (Backflow Temperatur)

        **ДРУГИЕ УСТАНОВКИ**

        — Solver: 2D-axialsymmetric, steady, Segregated Implicit

        — Under Relaxations factors: P = 0.4, Ro = 0.4, BoFo = 0.4, Mom = 0.35, En = 0.35, T = 0.35

        — Convergence Criterion (Residuals): Con = 1e-05, Vx = 1e-05, Vy = 1e-06, En = 1e-06

        Для всех к = 1,N теоретически должны реализовываться дозвуковые изентропические режимы движения газа, что я и ожидал увидеть при численных расчётах. Более того, для любого шага(к) для заданных давлений в котле и на выходе возможно теоретическое определение выходного числа МАХА Ме(к), a по этому числу и соотношению площадей («выход-горло»)- определение горлового числа МАХА Мt(к; [Мt(к)<1]. Наличие этих чисел МАХА позволяет теоретически вычислять все полевые величины (P, T, Ro, a, V, M) в горле и на выходе и тем самым контролировать вычисления, производимые -fluentОМ-.

        **ОПИСАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ**

        Уже при реализации первого шага (к = 1) и примерно после 1000 первых итераций, при которых сходимость имела квазимонотонный характер, она перестала быть таковой. Области сходимости (и расходимости) перемежались значительными областями с наличием обратного потока на выходе сопла (reversed backflow). Достичь поставленных уровней Residuals не удалось. Вычисленные -fluentОМ- полевые величины (P, T, Ro, a, V, M) в горле и на выходе отличались от вычисленных теоретически минимум на 50%. Изолинии аксиальной скорости не были паралельными или близкими к паралельным линиями, а имели сильно искривлённый характер, в особенности вблизи стенок. Все предпринятые меры к получению сходящегося решения (уменьшение размера шага по котловому давлению, снижение релаксационых параметров, выбор другого солвера (Coupled Implicit, steady, с числом КУРАНТА < 1), «исскуственное» удлинение сопла куском трубы длиной 3.25 см, а также многократная перепроверка граничных условий, не привели, к моему глубокому удивлению, к решению даже и близкому к аналитическому.

        При всем при этом при реализации второго режима (СВЕРХЗВУКОВОГО РАСЧЁТНОГО РЕЖИМА) всех этих проблем не возникло. Вычисленные -fluentОМ- полевые величины (P, T, Ro, a, V, M) в горле и на выходе отличались от вычисленных теоретически всего на 2%.

        **ПРОСЬБА**

        Обращаясь к Вам, уважаемые Коллеги, с просьбой о поддержке, я был бы рад любым конструктивным и интересным предложениям, которые могли бы помочь мне решить вышеизложенную проблему.

        Источник: http://cccp3d.ru/topic/10267-%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%87%D0%B5%D1%82-%D1%81%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B0-%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D1%8F-s-%D0%BF%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D1%89%D1%8C%D1%8E-fluenta/

        Гидродинамика и теплообмен в вихревой трубке Ранка-Хилша тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

        Автореферат диссертации на тему «Гидродинамика и теплообмен в вихревой трубке Ранка-Хилша»

        ?На правах рукописи

        Аликина Ольга Николаевна

        01.02.05 — Механика жидкости, газа и плазмы

        Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

        Научный руководитель — доктор физико-математических наук, профессор Тарунин Евгений Леонидович

        доктор ф.-м.н. профессор Варапаев Владимир Николаевич (Московский государственный строительный университет), кандидат ф.-м.н. доцент Чернатынский Владимир Иванович (Пермский государственный педагогический университет).

        Ведущая организация — Институт механики сплошной среды Ур О РАН

        диссертационного совета Д 212.189.06 в Пермском государственном университете

        (614990, Пермь, ГСП, ул. Букирева, 15)

        Автореферат разослан «_» «_» 2003 г.

        доцент

        Г. И. Субботин

        1оо? — А " \J2I4'

        Общая характеристика работы

        Широкий спектр аппаратов, работающих на основе вихревого эффекта, с одной стороны, и теоретическая неисследованность, с другой стороны, делают актуальными вычислительные эксперименты по изучению вихревого эффекта.

        Целью работы является теоретическое исследование вихревого эффекта на основе построения схем и методик расчета с учетом теплофизических, гидродинамических процессов внутри вихревых труб.

        Соответствующие нелинейные системы уравнений в частных производных исследовались, как правило, численными методами.

        Достоверность полученных результатов основана на логически непротиворечивом применении классических законов физики, гидродинамики, газовой динамики, численных методов расчета моделей течения; воспроизводимости и повторяемости всех проведенных экспериментов и соответствие экспериментальным данным.

        Апробация работы. Диссертация в целом, ее разделы, части ее результатов докладывались автором на:

        Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Пермь, 2001 г.;

        XXX Летняя школа "Прикладные проблемы в механике" АРМ'2002 Санкт-Петербург (Репино), 2002 г.;

        Работа неоднократно обсуждалась на Пермском гидродинамическом семинаре.

        Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

        Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и обзора литературы по проблеме, четырех глав и заключения, содержит 24 рисунка, список цитируемой литературы из 88 наименований, изложенных на 123 стр.

        Во Введении по литературным источникам проанализировано современное состояние вопроса о течении в вихревых трубах, выделены нерешенные вопросы, сформулированы цель, объект и задачи исследования, обоснована актуальность темы диссертации, новизна и практическая значимость результатов.

        газа

        Первая глава «Физические и математические основы вихревого эффекта» содержит три раздела. В первом разделе описаны параметры вихревых аппаратов. Во втором разделе приводятся физические основы вихревого эффекта. В третьем разделе приведены гипотезы, объясняющие возникновение эффекта энергоразделения. В главе определяются основные параметры и характеристики работы вихревых труб, позволяющие оценить эффективность их работы.

        Глава состоит из трех частей. В первой части приводится математическая постановка задачи для течения «несжимаемой жидкости» в вихревой трубе. Система уравнений, описывающая процессы внутри вихревой трубы для «несжимаемой жидкости», выглядит следующим образом:

        Источник: http://fizmathim.com/gidrodinamika-i-teploobmen-v-vihrevoy-trubke-ranka-hilsha

        Эффект Котоусова

        В «Журнале технической физики» за 2005 год была опубликована статья Леонида Сергеевича Котоусова (Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет) «Исследование скорости водяных струй на выходе сопел с различной геометрией » (ЖТФ, том 75, вып.9; с. 8-14, далее в тексте прямые цитаты из этой статьи выделены курсивом ). Казалось бы, она посвящена частному вопросу, однако выводы, к которым пришёл автор, отнюдь не частные и имеют прямое отношение к тематике этого сайта. Чтобы убедиться в этом, достаточно прочитать аннотацию: «Обнаружен коэффициент усиления мощности струи до 4. 4.5 единиц по отношению к входной мощности потока воды, задаваемой ее входным избыточным давлением и объемным расходом. Рассмотрены причины этого эффекта и источник дополнительной энергии. <. > Газовыделение и кавитация увеличивают этот эффект из-за уменьшения плотности струи. В результате ускорение струи вызывается не только давлением на входе, но и снижением потенциальной энергии текущей среды за счет снижения ее абсолютного давления вплоть до уровня технического вакуума. Обжатие струи воздухом атмосферы и восстановление равновесного с воздухом давления в воде приводят в итоге к повышению кинетической энергии струи за счет внутренней энергии воздуха.»

        Отсюда следует, что исследованный Котоусовым эффект может не только объяснить механизм работы различных гидродинамических конструкций (Шаубергера. Клема. Шерью и др.), но и имеет огромную практическую ценность сам по себе. Подробности можно найти в оригинальной статье, которая написана простым и понятным языком (математические выкладки с роторами и градиентами вполне можно пропустить — они лишь подтверждают то, что сказано в тексте). Здесь же я хочу популярно изложить наиболее важные моменты и обсудить их с точки зрения возможности практического получения «энергии из воздуха».

        Особо следует подчеркнуть, что Котоусов — известный и уважаемый учёный, автор одного из учебников термодинамики, излагающего эту науку с вполне традиционных позиций. Так что он отлично понимал все последствия публикации этой статьи, и вряд ли стал бы публиковать её без многократной проверки и твёрдой уверенности в истинности полученных экспериментальных результатов.

        Update 2011. Не всё так однозначно с описанным эффектом. Первая независимая попытка воспроизвести этот эффект не показала превышения силы струи над рассчитанной по классической методике. После на первый взгляд незначительного изменения геометрии сопла эффект проявился. и его можно считать получившим независимое подтверждение. однако некоторые закономерности существенно отличались от наблюдаемых Котоусовым. Так что требуются дальнейшие исследования этого эффекта.

        Традиционная гидродинамика об истечении струй

        Источник: http://khd2.narod.ru/hydrodyn/kotousov.htm

        § 97. Истечение газа через сопло

        Рассмотрим стационарное вытекание газа из большого сосуда через трубку переменного сечения, или, как говорят, через сопло. Мы будем предполагать, что движение газа можно считать в каждом месте трубы однородным по ее сечению, а скорость направленной практически вдоль оси трубы. Для этого труба должна быть не слишком широка, и площадь S ее сечения должна достаточно медленно меняться вдоль ее длины. Таким образом, все величины, характеризующие течение, будут функциями только от координаты вдоль оси трубы. При этих условиях можно применять полученные в § 83 соотношения, имеющие место вдоль линии тока, непосредственно к изменению величин вдоль длины трубы.

        Количество (масса) газа, проходящего в единицу времени через поперечное сечение трубы, или, как говорят, расход газа, равно ; эта величина должна, очевидно, оставаться постоянной вдоль всей трубы:

        (97,1)

        Линейные размеры самого сосуда предполагаются очень большими по сравнению с диаметром трубы. Поэтому скорость газа в сосуде можно считать равной нулю, и соответственно этому все величины с индексом нуль в формулах § 83 будут представлять, собой значения соответствующих величин внутри сосуда.

        Мы видели, что плотность потока не может превышать некоторого предельного значения. Ясно поэтому, что и возможные значения полного расхода газа Q будут иметь (для данной трубы и при заданном состоянии газа внутри сосуда) верхнюю границу. которую легко определить. Если бы значение плотности потока было достигнуто не в самом узком месте трубы, то в сечениях с меньшим S было бы что невозможно. Поэтому значение может быть достигнуто только в самом узком месте трубы, площадь сечения которого обозначим посредством. Таким образом, верхняя граница полного расхода газа есть

        Рассмотрим сначала сопло, монотонно суживающееся по направлению к своему внешнему концу, так что минимальная площадь сечения достигается на этом конце (рис. 70). В силу (97,1) плотность потока j монотонно возрастает вдоль трубы. То же самое касается скорости газа о, а давление соответственно монотонно падает. Наибольшее возможное значение будет достигнуто, если скорость v достигает значения с как раз на выходном конце трубы, т. е. если будет (буквы с индексом 1 обозначают значения величин на выходном конце трубы). Одновременно будет и

        Рис. 70

        Проследим за изменением режима вытекания газа при уменьшении давления внешней среды, в которую газ выпускается. При уменьшении внешнего давления от значения, равного давлению в сосуде, и вплоть до значения одновременно с ним падает также и давление в выходном сечении трубы, причем оба эти давления остаются равными друг другу; другими словами, падение давления от до внешнего происходит внутри сопла. Выходная же скорость и полный расход газа монотонно возрастают. При выходная скорость делается равной местному значению скорости звука, а расход газа — значению. При дальнейшем понижении внешнего давления выходное давление перестает падать и остается все время равным ; падение же давления от до происходит уже вне трубы, в окружающем пространстве. Другими словами, ни при каком внешнем давлении падение давления газа в трубе не может быть большим, чем от до ; так, для воздуха ) максимальное падение давления составляет Выходная скорость и расход газа тоже остаются (при постоянными. Таким образом, при истечении через суживающееся сопло газ не может приобрести сверхзвуковой скорости.

        Невозможность достижения сверхзвуковых скоростей при выпускании газа через суживающееся сопло связана с тем, что скорость, равная местной скорости звука, может достигаться только на самом выходйом конце такой трубы. Ясно, что сверхзвуковая скорость сможет быть достигнута с помощью сопла сначала суживающегося, а затем вновь расширяющегося (рис. 71). Такие сопла называются соплами Лаваля.

        Рис. 71

        Максимальная плотность потока если и достигается, то опять-таки только в наиболее узком сечении, так что и в таком сопле расход газа не может превышать значения

        В суживающейся части сопла плотность потока возрастает (а давление падает); на кривой рис. 72, изображающей зависимость f от это соответствует передвижению от точки с по направлению к b. Если в сечении достигается максимальный поток (точка b на рис. 72), то в расширяющейся части сопла давление будет продолжать падать и начнет падать также и j соответственно перемещению по кривой рис. 72 от точки b по направлению к а. На выходном конце трубы поток приобретает тогда вполне определенное значение, равное

        а давление — соответствующее этому потоку значение, обозначенное на рис. 72 посредством (некоторая точка d на кривой). Если же в сечении достигается лишь некоторая точка. то в расширяющейся части сопла давление будет возрастать соответственно обратному перемещению по кривой вниз от точки е. На первый взгляд могло бы показаться, что с ветви кривой можно перейти на ветвь скачком, минуя точку b, посредством образования ударной волны; это, однако, невозможно, так как «втекающий» в ударную волну газ не может иметь дозвуковой скорости.

        Рис. 72

        Имея в виду все эти замечания, проследим теперь за изменением режима вытекания по мере постепенного увеличения внешнего давления. При малых давлениях, начиная от нуля и до значения устанавливается режим, при котором в сечении достигается давление и скорость. В расширяющейся части сопла скорость продолжает расти, так что осуществляется сверхзвуковое течение газа, а давление продолжает соответственно падать, достигая на выходном конце значения вне зависимости от величины Падение давления от до происходит вне сопла, в отходящей от края его отверстия волне разрежения (как это будет описано в § 112).

        Когда начинает превышать значение появляется отходящая от края отверстия сопла косая ударная волна, сжимающая газ от выходного давления до давления (§ 112).

        Мы увидим, однако, что стационарная ударная волна может отходить от твердой поверхности лишь постольку, поскольку она не обладает слишком большой интенсивностью (§ 111). Поэтому при дальнейшем повышении внешнего давления ударная волна скоро начинает передвигаться внутрь сопла, причем перед ней, на внутренней поверхности сопла, возникает отрыв. При некотором значении ударная волна достигает наиболее узкого сечения сопла и затем исчезает; течение становится всюду дозвуковым с отрывом на стенках расширяющейся (диффузорной) части сопла. Все эти сложные явления имеют уже, разумеется, существенно трехмерный характер.

        Задача

        На малом участке длины трубы к стационарно текущему по ней газу подводится небольшое количество тепла. Определить изменение скорости газа при прохождении им этого участка. Газ предполагается политропным.

        Решение. Пусть есть подводимое в единицу времени количество тепла (S — площадь сечения трубы в данном ее участке). На обеих сторонах участка подогрева одинаковы плотности потока массы и потока импульса отсюда где обозначает изменение величины при прохождении этого участка. Разность же плотностей потока энергии равна q. Написав w в виде

        получим (считая малыми):

        Исключая из этих двух соотношений, найдем:

        Мы видим, что при дозвуковом течении подвод тепла ускоряет поток а при сверхзвуковом — замедляет.

        Написав температуру газа в виде — газовая постоянная), найдем для ее изменения выражение

        При сверхзвуковом движении это выражение всегда положительно — температура газа повышается; при дозвуковом же движении оно может быть как положительным, так и отрицательным.

        Источник: http://scask.ru/book_t_phis6.php?id=134

        Основы гидродинамики

        Понятие гидродинамики

        Гидродинамика раздел гидравлики. в котором рассматриваются законы движения и взаимодействия жидкости с неподвижными и подвижными поверхностями.

        Движение жидкости существенно отличается от движения твердого тела. При движении жидкости расстояние между ее частицами не остается постоянным. Перемещение достаточно малого объема жидкости можно представить в виде суммы трех движений — поступательного, вращательного движения всего объема в целом, а также перемещения различных частиц объема относительно друг друга. В движущейся жидкости учитывают как массовые силы, так и силы трения (вязкость).

        Движущаяся жидкость характеризуется двумя параметрами: скоростью течения v и гидродинамическим давлением р. Основной задачей гидродинамики является определение этих параметров при заданной системе внешних сил.

        При движении жидкости скорость и давление могут изменяться в пространстве и во времени. В связи с этим различают два вида движения жидкости: установившееся и неустановившееся.

        Установившимся называется движение, при котором скорость и давление в каждой точке пространства, занятого жидкостью, не изменяются во времени и является функцией только ее координат, т. е.

        При неустановившемся движении давление р и скорость v изменяются в каждой точке не только с изменением координат, но и во времени:

        Под жидкой частицей в гидродинамике понимают условно выделенный очень малый объем жидкости, изменением формы которого можно пренебречь. Каждая частица жидкости при движении описывает кривую, которая называется траекторией движения.

        Под потоком жидкости понимают движущуюся массу жидкости, полностью или частично ограниченную поверхностями. Поверхности раздела могут быть твердыми или образованными самой жидкостью на границе раздела фаз. Границами потоков служат стенки труб, каналов, открытая поверхность жидкости, а также поверхность обтекаемых потоком тел.

        Напорным называется движение потока в закрытых руслах при полном заполнении поперечного сечения жидкостью. Например, напорное движение в трубах. Оно возникает за счет разности давлений в начале и конце трубопровода.

        Безнапорным называется движение жидкости в открытых руслах, когда поток имеет свободную поверхность. В этом случае движение осуществляется только за счет сил тяжести, т. е. при наличии уклона (движение воды в каналах, реках, лотках и т. д.).

        Струи представляют собой потоки жидкости, вытекающие через отверстия или сопла под действием напора. Струи могут быть ограничены со всех сторон газообразной или жидкой средой. В первом случае они называются свободными, во втором — затопленными.

        Линией тока называют воображаемую кривую в движущемся потоке жидкости, для которой векторы скоростей каждой из частиц жидкости, находящихся на ней в данный момент времени, являются касательными к этой кривой (рис.1).

        Рис. 1. Линия тока

        Линия тока при установившемся движении совпадает с траекторией частиц. Для неустановившегося движения линии тока не совпадают с траекторией. Линия тока характеризует направление движения всех частиц, расположенных на ней в данный момент, а траектория представляет собой путь, пройденный одной частицей за какое-то время ?.

        Движение жидкости

        Движение жидкости зависит от многих факторов, учесть которые очень трудно. Поэтому действительное движение заменяют упрошенной моделью. В основе гидродинамики лежит струйчатая модель движения, которая предполагает, что поток жидкости состоит из бесконечно большого числа элементарных струек.

        Если в потоке движущейся жидкости выделить элементарную площадку ?F ограниченную контуром К, и через все его точки провести линии тока, то образуется трубчатая поверхность, называемая трубкой тока (рис. 2). Жидкость, движущаяся внутри трубки тока, называется элементарной струйкой (см. рис. 2).

        Сечение, расположенное нормально к линиям тока, называется живым сечением элементарной струйки.

        Элементарная струйка при установившемся движении обладает следующими свойствами:

          ее форма и ориентация в пространстве остаются неизменными во времени; боковая поверхность струйки непроницаема для жидкости, т.е. ни одна частичка жидкости не может проникнуть внутрь или выйти наружу через боковые стенки трубки тока; ввиду малости живого сечения струйки скорость и давление во всех точках этого сечения следует считать одинаковыми. Однако вдоль струек значения скорости v и давления р в общем случае могут изменяться.

        Рис. 2. Трубка тока: К — контур жидкости

        Живым сечением потока F называется площадь сечения потока, перпендикулярная к направлению линий тока и ограниченная его внешним контуром. Площадь живого сечения потока (рис. 3.) равна сумме площадей живых сечений элементарных струек.

        Рис. 3. Площадь живого сечения потока

        Смоченным периметром потока П называется длина контура живого сечения, по которой жидкость соприкасается с ограничивающими ее стенками. При напорном движении жидкости смоченный периметр П совпадает с геометрическим периметром Пг. при безнапорном не совпадает (рис. 4).

        Рис. 4. Смоченный периметр:

        Гидравлическим радиусом R г называется отношение площади живого сечения к смоченному периметру:

        Геометрический радиус и гидравлический радиус — совершенно разные понятия, даже в случае напорного движения жидкости в круглой трубе.

        Например, для трубы диаметром d   геометрический радиус

        r=d/2, а гидравлический

        При гидравлических расчетах часто используется понятие эквивалентного диаметра:

        Для круглых напорных труб диаметром d

        Для труб прямоугольного сечения

        Расходом называется количество жидкости, протекающей через живое сечение потока в единицу времени. Различают объемный Vc , массовый Мс и весовой Gc расходы жидкости. Между ними существует связь:

        Для элементарной струйки элементарный расход определяется по формуле:

        где dF площадь живого сечения элементарной струйки.

        Объемный расход потока равен сумме элементарных расходов струек.

        Скорость жидкости в различных точках живого сечения потока различна, и точный закон изменения скорости по сечению не всегда известен, поэтому для упрощения расчетов вводят понятие средней скорости для данного живого сечения ?cp. тогда:

        Средняя скорость — фиктивная скорость потока, которая считается одинаковой для всех частиц данного сечения и подобрана так, что расход, определенный по ее значению, равен истинному значению расхода (рис. 5).

        Рис. 5. К понятию «средняя скорость»:

        F п.э. — площадь прямоугольной эпюры скоростей (средних);

        F д.э. площадь действительной (криволинейной) эпюры

        Установившееся движение характеризуется постоянством расхода во времени. Различают равномерное и неравномерное установившееся движение.

        Равномерным установившимся движением называется такое движение жидкости, при котором средняя скорость и площади живых сечений потока не изменяются по его длине, например установившееся движение в цилиндрической трубе, движение в канале призматической формы (рис. 6).

        Рис. 6. Равномерное движение в канале призматической формы

        Рис. 7. Примеры возникновения неравномерного движения: а — перед подпорным сооружением; б — при внезапном сужении

        Неравномерным установившемся движением называется такое движение, при котором средняя скорость и площади живых сечений изменяются по длине, например движение в трубе переменного сечения, движение в открытых руслах при наличии перегораживающих сооружений (рис. 7).

        Источник: http://industrylib.ru/%d0%be%d1%81%d0%bd%d0%be%d0%b2%d1%8b-%d0%b3%d0%b8%d0%b4%d1%80%d0%be%d0%b4%d0%b8%d0%bd%d0%b0%d0%bc%d0%b8%d0%ba%d0%b8/

        Гидродинамика и теплообмен в вихревой трубке Ранка-Хилша :Вычислительный эксперимент тема диссертации и автореферата по ВАК 01.02.05, кандидат физико-математических наук Аликина, Ольга Николаевна

        Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Аликина, Ольга Николаевна

        Введение и обзор литературы

        Глава I. Физические и математические основы вихревого 20 эффекта

        1.1. Вихревое движение жидкости

        1.2. Физические основы вихревого эффекта

        1.3. Теоретические основы вихревого эффекта

        Глава II. Исследование течения несжимаемой жидкости в вихревой трубке

        2.1. Постанова задачи

        2.2. Описание численной процедуры

        2.3. Результаты вычислительных экспериментов

        Глава III. Исследование течения вязкого идеального теп- 54 лопроводного газа в вихревой трубке

        3.2. Численная схема для расчета течения вязкого идеаль- 63 ного теплопроводного газа

        Глава IV. Вычислительные эксперименты для вязкого 71 & идеального теплопроводного газа в вихревой трубке

        4.1. Влияние геометрии и параметров вихревой трубы на 72 характери стики

        4.2. Влияние безразмерных критериев и параметров задачи 96 на характеристики вихревой трубы

        Введение диссертации (часть автореферата) На тему «Гидродинамика и теплообмен в вихревой трубке Ранка-Хилша :Вычислительный эксперимент»

        В газовой динамике вихревых течений известно нетривиальное явление — эффект Ранка [87]. Он заключается в том, что в вихревых трубах происходит разделение закрученного потока газа на два. Один из потоков — периферийный — имеет температуру выше температуры исходного потока, а второй — центральный — более низкую температуру. Вихревая трубка имеет довольно простую конструкцию. Схематически она приведена на рис.1.

        Вихревой аппарат представляет собой гладкую цилиндрическую трубу, снабженную соплом, улиткой, диафрагмой с осевым отверстием и дросселем. При втекании сжатого газа через сопло образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока. Периферийные слои при этом нагреваются и отводятся через дроссель в виде горячего потока. По мере прикрытия дросселя общий уровень давления повышается и возрастает расход холодного потока при соответствующем уменьшении горячего потока. При этом температуры горячего и холодного потоков тоже меняются.

        Эффект был обнаружен французским инженером Ж. Ранком в 1931 году при исследовании процессов в циклоне-пылеуловителе. Тогда он получил патент на устройство, которое он назвал « вихревая труба ». Полученные им результаты поначалу вызвали сомнения в правильности измерения температуры — эффект температурного разделения в его аппарате составлял «110-120°С при температуре входного потока 20°С [87].

        После Второй мировой войны началось интенсивное экспериментальное исследование вихревых аппаратов (ВА), которое не прекращается и по сей день. Простота конструкции в сочетании с эффектами, получаемыми при работе ВА, привлекает внимание исследователей. Несмотря на то, что до сих пор не существует полного теоретического описания процессов в ВТ, комбинированием эмпирических методов экспериментаторы порой достигают потрясающих результатов. Спектр аппаратов, работающих на основе ВЭ, чрезвычайно широк, а возможности впечатляют. Для «лучших конструкций, предназначенных для получения холода, температура на оси составляет порядка -200°С при входной комнатной температуре» [24]. В силу принципиальной простоты самого устройства, изобретательский интерес к нему угасает, но до сих пор появляются новые патенты на устройства, работающие на ВЭ. Научный интерес к теме не иссякает по одной простой причине — при появлении новой теории, объясняющей эффект, появляется новая серия исследований. Так, за последние 20 лет в нашей стране защищены докторские диссертации [34, 53, 76] и опубликованы три монографии [8, 35, 63], посвященные вихревому эффекту. Кроме того, эффект Ранка широко обсуждается в книгах по проблемам вихревого движения [25, 26, 72, 77] и статьях, опубликованных у нас в стране и за рубежом [78-80, 83, 84-86, 88].

        Р. Хилш провел первое глубокое исследование вихревых аппаратов, благодаря которому вихревой эффект стал широко известен. В своих работах [81, 82] Р. Хилш ввел ряд параметров, которые широко используются до сих пор и являются основными при проектировании вихревых аппаратов.

        В СССР вихревой эффект долгое время изучался в Одесском техн о-логическом институте пищевой и холодильной промышленности. Разработки там начались в 1952 г. А работы над вихревыми аппаратами в Куйбышевском авиационном институте (с 1953 г.) привели к созданию лаборатории промышленного применения вихревого эффекта (1956 г.). Позднее были организованы конференции, посвященные вихревому эффекту [14-19].

        Рис.1. Схема вихревых труб: (а) — противоточного вида, (б) — прямоточного типа. 1 — гладкая цилиндрическая труба; 2 — завихритель тангенциального или улиточного типа для подачи сжатого газа; 3 — дроссельный кран (дроссель, вентиль); 4 — выход горячего газа через кольцевую щель; 5 — диафрагма для выхода холодного газа.

        В течение последних 50 лет работы по изучению вихревого эффекта (теория, эксперимент, создание новых вихревых аппаратов) велись очень интенсивно во многих отраслях (газовая динамика, холодильная промышленность, энергетика, космическая и авиационная техника). В последнее время появилось очень много экспериментальных и теоретических работ в нашей стране [29-33, 61, 62].

        Экспериментальное исследование вихревых структур с визуализацией картин течения проведено в работе [7]. Эксперименты показали, что в закрученном аэродинамическом потоке возникают крупномасштабные вихревые структуры, время существования которых значительно превышает время экспозиции. Авторами впервые обнаружена и визуализирована двойная спираль, зарождение которой происходит на торцевой поверхности около периферийного входа в ВТ, а распространение — вдоль продольной оси, многократно перезамыкаясь и разрушаясь. Зафиксировано также вращательное движение спирали. На основе полученных данных сделаны выводы об энергетическом разделении газа за счет возникновения спирали, внутри которой газ разряжается и происходит его охлаждение, а в пристенных слоях газа происходит вязкий разогрев за счет трения о стенки резервуара.

        Рассмотрение множества существующих теорий, объясняющих эффект Ранка-Хилша, приведено в обзорной статье [28]. В этом обзоре обсуждаются присущие им недостатки и противоречия в толковании результатов некоторых экспериментов. В статье [28] рассмотрены различные гипотезы, объясняющие эффект. Первая из гипотез возникновения эффекта — самая распространенная среди практиков — теория о существовании турбулентных пульсаций в радиальном направлении. Согласно этой теории, турбулентные элементы адиабатически расширяясь и сжимаясь при перемещении в поле с высоким градиентом статического давления «совершают холодильные циклы, передавая тепло в периферийные слои, а источником механической энергии является турбулентность». Картина течения в трубе представляется в виде двух вихрей. Первый из них заполняет объем от завихрителя к дросселю (внешняя область), а второй — область от центральной части дросселя к диафрагме. Зависимость скорости во внешнем вихре предполагается близкой к закону твердотельного вращения. Такой закон вращения при наличии вязкости предполагает возникновение касательных напряжений. Многие исследователи видели причину передачи энергии именно в этом. Однако более аккуратное рассмотрение сил, действующих на элемент жидкости в свободном вихре, показывает, что сила вязкости, действующая со стороны меньшего радиуса равна и противоположна по направлению силе вязкости, тормозящей поток со стороны большего радиуса. Эта теория хорошо подтверждается экспериментальными данными.

        Основная идея другой гипотезы состоит в том, что идет передача избыточной энергии за счет разности угловых скоростей от осевых слоев газа к периферийным силам вязкости. В этой теории предполагается, что в про-тивоточных вихревых трубах центральный вихрь образуется только возле дросселя из части газа, переносимого периферийным вихрем, и вращается примерно по закону Vr» =Const. Причем, согласно модели, газ между вихрями не течет. Данная модель в самой своей основе содержит ошибочное представление о реальной картине течения.

        Необычный подход к объяснению явления разделения предложили в университете штата Теннеси, который был продемонстрирован в нескольких работах [28, 80]. Математическая модель, построенная при определенных допущениях, продемонстрировала, что характерный для вихревых труб громкий « свист » должен ускорять периферийные слои вихревого течения, если он вызван основной циркуляционной модой звуковых колебаний внутри трубы. Механизм, который обеспечивает это ускорение, известен в отечественной литературе как « звуковой ветер ».

        Гуцол А.Ф. [28] выдвигает и обосновывает новый подход к пониманию процессов в вихревых трубах, который, по его мнению, демонстрирует возможность объяснения с единых позиций имеющегося множества экспериментальных результатов. Гипотеза, выдвигаемая в этой работе, сводится к объяснению появления в центральной части трубки не разогревшегося газа. Согласно его гипотезе, в «центре вихря оказываются те порции входящего потока, которые изначально имели незначительный запас кинетической энергии, а механизмом, обеспечивающим попадание в центр вихря именно этих порций, является разделение в поле центробежных сил элементов потока, имеющих разную тангенциальную скорость» (рис.2). Это связано с наличием в потоке газа участков, двигающихся с разной скоростью, то есть имеющих разную кинетическую энергию при прочих равных параметрах. Наличие разных скоростей приводит при одном и том же центростремительном ускорении приводит к разделению этих элементов — более « быстрые » удалятся от центра потока, а более « медленные » сдвинутся к центру потока. Таким образом, периферийные слои газа будут обогащаться « быстрым » газом, а центральные — « медленным ». В результате, в центре трубки понижается статическое давление, и газ, собирающийся в центре, испытает почти адиабатическое охлаждение, расширяясь в условиях падения давления от начального (на входе в вихревую трубку) до атмосферного. На боковых стенках из-за прилипания, « быстрый » газ испытает торможение о стенки, что приведет его к нагреву. То есть можно сформулировать, что «причиной разделения газа в ВА является центробежная сепарация турбулентных элементов по величине тангенциальной скорости».

        Рис. 2. Формирование на входе в вихревую трубку турбулентных элементов и их разделение в поле центробежных сил. 1 — стенка трубы; 2 — тангенциальное входное сопло; 3 — профиль скорости газа на входе в вихревую трубку; 4 — микровихрь, образующийся при взаимодействии тангенциального потока с цилиндрической стенкой; 5 — микровихрь, образующийся при взаимодействии тангенциального потока с вихревым течением; 6 — элемент газа с отрицательной пульсацией скорости; 7 — элемент газа с положительной пульсацией скорости; F — результирующая сила.

        Первый вывод, который можно сделать, приняв рассматриваемую гипотезу за рабочую, заключается в том, что, поскольку охлаждение центральных слоев является результатом совместного протекания двух процессов — центробежной сепарации « заторможенных » элементов и их адиабатического расширения, то при невозможности протекания второго процесса, например, для несжимаемой жидкости, энергетическое разделение все же будет иметь место, хотя и в гораздо меньшем масштабе. При этом, малая часть первоначально запасенной энергии давления, превратившись сначала в кинетическую, все же достанется центральным слоям вихря и перейдет в тепловую, поэтому температура « холодной » воды на выходе из вихревой трубки будет выше начальной, но, конечно, ниже, чем температура торможения на выходе их сопла (где вся кинетическая энергия превращается в тепло, которое делится поровну между всеми частями потока), и тем более ниже температуры « горячей » воды, на долю которой приходится непропорционально большое количество кинетической энергии, переходящей затем в тепло. Именно такой характер имеют результаты, полученные в работе [79].

        Второй вывод, который следует сделать, состоит в том, что в предполагаемой гипотезе величина температурной эффективности приобретает естественный смысл и по-прежнему не должна превышать 1.

        Третий вывод касается причины возникновения и роли турбулентности в энергетическом разделении. Центральную часть сечения вихревой трубки занимает вынужденный вихрь, для которого выполняется критерий устойчивости Рэлея [72]: d(pWr) dr ‘ означающий, что возникающие турбулентные возмущения должны затухать, а не нарастать. Экспериментально наблюдаемый высокий уровень турбулентности потока в вихревых трубах является следствием радиального перемещения « медленных » газовых элементов, то есть турбулентность в вынужденный вихрь привносится извне — из неоднородного входящего тангенциального потока. Понятно, что если масштаб этой привнесенной турбулентности будет мал по сравнению с размерами системы, то энергетическое разделение будет незначительным — « медленные » элементы « размоются » до попадания в центр вихря. Характерные размеры микрообъемов с разной поступательной скоростью, которые формируются в тангенциальном сопле, определяются поперечными размерами этого сопла. Из этих соображений прямо следует вывод относительно конструкции соплового входа — его размеры должны быть максимальны. Очевидно, именно с этим связан тот факт, что в большинстве конструкций вихревых труб используется одноза-ходный спиральный или тангенциальный завихритель, размеры сопла которого весьма значительны [35, 41-44, 63]. В завихрителях же, используемых, например, для стабилизации разрядов, количество тангенциальных вводов газа, как правило, не менее четырех, поскольку проведенные исследования [20, 31] показали, что меньшее число щелей тангенциального завихрителя не обеспечивает надлежащую степень радиальной симметрии входящего потока.

        Экспериментальные исследования вихревых труб на промышленных установках обсуждаются в работах [27-32]. Эксперименты проводились в течение нескольких лет на установке одной из газораспределительных станций вблизи г. Оренбурга, а также на заводе по производству азота в Подмосковье. Эксперименты показали, что использование вихревой трубки, которая по сложности не превосходит традиционных регуляторов давления, и проста в эксплуатации, позволяет получать охлажденный или нагретый газ при небольших энергетических затратах. Основной целью проводимых исследований было выяснить, каким образом можно « удержать » часть кинетической энергии, которая теряется в закрученных потоках газа при дросселировании. Эффект дросселирования заключается в понижении давления газа, проходящего через местное сужение без теплообмена с окружающей средой. При дросселировании реальные газы изменяют свою температуру.

        Срок эксплуатации вихревой трубки на одной из подстанций составил в сумме более трех лет. Была доказана эффективность работы вихревой трубки при различных температурных режимах в течение продолжительной безостановочной эксплуатации. При этом разделение горячих и холодных потоков позволило провести опыты по отделению различных примесей как твердых, так и жидких. Типичные характеристики охлаждения и нагрева газа при перепаде давления (отношение давлений на входе в трубку и холодном выходе) равном 4.9 составили «60-70°. И хотя это малая доля газа, ее достаточно для обогрева технологических линий и помещений.

        Исследование расходных характеристик показало аномально высокое среднее значение скоростного коэффициента, учитывающего газодинамические потери в сопле, av«1.15. Теоретически av должен быть меньше 1. Эта ситуация скорее всего указывает на наличие сверхзвукового течения в сопле вихревой трубки.

        Вопрос о сверхзвуковом течении в вихревой трубе давно дебатируется в литературе. Экспериментальное подтверждение наличие подтверждения наличия сверхзвукового течения получил Чижиков Ю.В. [74, 75]. Им была получена эмпирическая зависимость av от доли холодного потока ц: ау=1.32-0.4ц.

        Проведенные эксперименты с вихревой трубой дали подтверждение этой зависимости.

        Применение ВА в газовой промышленности стало распространенным явлением. Однако, для более целесообразного использования было необходимо провести полную оценку их эффективности. Сравнение эффективности вихревых аппаратов было проведено с позиций I и II начал термодинамики. Оценка вихревых труб выполнялась по формулам для показателя политропы п, температурного КПД rit, холодильного КПД и эксергетиче-ского КПД г|е. Из 9 вихревых труб самый высокий показатель политропы составил 1.083 для регулируемой вихревой трубки, предложенной группой Жидкова (наименьший из всех используемых трубок составляет 1.02). Температурный и холодильный КПД для регулируемых ВТ менялись в пределах:

        0.24-5-0.61, г|ч=0.23ч-0.32.

        Но при использовании вихревых труб существенен вклад дросселирования, поэтому формулы для вычисления КПД были немного изменены и в этом случае показатели сместились по значениям в среднюю область.

        Следующая серия экспериментов группы Жидкова была проведена уже с измененной конструкцией вихревой трубки — так называемой «трех-поточной» трубкой, которая позволяет не только получать холод, но и отделять жидкую фазу. Эта трубка использовалась для выделения метанола на агрегате М-100 Новомосковской акционерной компанией «Азот». Предварительный анализ показал, что без дополнительных энергетических и материальных затрат, можно дополнительно получить до 600-700 тонн метанола-сырца в год с одного агрегата. При этом окупаемость установки составляет 7-8 месяцев. Аналогичная конструкция использовалась и для конденсации тяжелых углеводородов из попутного газа [14-19]. В среднем эксперименты показали, что выделяется до 77% метанола-сырца из продувочных газов. Причем, содержание метанола в холодном потоке меньше, чем в смешанном потоке, что говорило о том, что и в ВТ шла конденсация паров.

        В нашем университете исследования по данной теме начались в 1994 г. когда был выделен грант (руководитель Тарунин E.JL). Исследования вихревого эффекта проводятся на кафедрах прикладной математики и информатики и кафедре теоретической механики. Первый грант был выделен в 1994 году Санкт-Петербургским государственным университетом (руководитель Тарунин Е.Л.). По результатам исследования была опубликована статья [38]. Расчеты показали хорошее соответствие полученных результатов экспериментальным данным. Для расчетов движения внутри вихревой трубки использовались уравнения для несжимаемой жидкости, а эффект сжимаемости учитывался только в уравнении теплопроводности. Эффект температурного разделения составил 63° и 10.5°С для воздуха и воды соответственно, что удовлетворительно соответствует известным экспериментальным данным. Позднее был снова выделен грант на исследование вихревого эффекта ( РФФИ 99-01-01261, руководитель E.J1. Тарунин). В рамках второго гранта проводилось исследование в основном по двум моделям. Первая модель, которая использовалась в расчетах, взята из работ [38, 39] для несжимаемой жидкости. Но в отличие от работы [38] использовалась расширенная область для расчета течения. Область была расширена дополнительными зонами на выходах вихревой трубки. Во второй модели рассчитывались полные уравнения Навье-Стокса для сжимаемого вязкого идеального теплопроводного газа. Расчетная область была аналогичной исследованию для несжимаемой среды. По результатам исследования были опубликованы статьи [4, 5, 6, 68, 69].

        Большинство исследований в данной области носит экспериментальный характер. Поэтому актуальны теоретические исследования, которые позволили бы изучить эффект еще и с этой точки зрения, и попытаться его объяснить на основе известных уравнений без привлечений дополнительных гипотез.

        Диссертация посвящена исследованию гидродинамики и теплообмену в вихревой трубке Ранка-Хилша. Предположения об осесимметричн ости течения позволили свести сложную трехмерную постановку задачи к двумерной. Расчет нелинейных движений производился численно с учетом осесимметричности течения, сжимаемости, температурной зависимости вязкости и температуропроводности. Приведено сравнение численных результатов, полученных при переборе многочисленных параметров с экспериментальными данными.

        Автор защищает:

        — Результаты вычислительных экспериментов, полученных на основе полных уравнений Навье-Стокса для вязкого теплопроводного газа и уравнений для сжимаемой среды;

        — Выполненные расчеты позволили доказать возможность описания процессов в вихревой трубке с помощью уравнений Навье-Стокса без привлечения дополнительных гипотез.

        Достоверность результатов исследования обеспечивается применением различных методов численного анализа с детальным учетом погрешности и подробным перебором параметров. Достоверность численных расчетов проверялась с помощью сравнения различных характеристик на основе экспериментальных данных результатов с другими авторами. Полученные зависимости, как правило, соответствуют экспериментальным.

        Диссертация состоит из введения, содержащего « погружение » в проблему, и включающего обзор литературы по данному вопросу, четырех глав, приложения и списка цитируемой литературы.

        Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Аликина, Ольга Николаевна

        Выводы

        Выяснено, что длина трубы влияет на вычисляемые характеристики и чем она длиннее, тем выше температура на выходах вихревой трубки. Эффект температурного разделения при этом меняется незначительно.

        Уменьшение диафрагменного и дроссельного выходов приводит к росту температурного эффекта и к уменьшению температурного КПД .

        При повороте входного потока в сторону дроссельного или диафрагменного выхода происходит падение эффекта Ранка-Хилша.

        Выяснено влияние числа Рейнольдса на выходные характеристики. Рост числа Рейнольдса приводит к росту температурного КПД и увеличению эффекта температурного разделения. При числе Рейнольдса Re=300 (для L=2) возникает так называемый « эффект запирания », когда весь поток перераспределяется в сторону дроссельного выхода.

        При уменьшении числа Маха М эффект температурного разделения уменьшается, также как и при увеличении М. Значения эффекта растут в интервале от М=0.86н-0.96.

        ЗАКЛЮЧЕНИЕ

        На основе численного решения задач гидродинамики и теплообмена исследованы течения внутри вихревой трубки Ранка-Хилша.

        Проведенное исследование позволило сделать следующие выводы:

        Вычислительные эксперименты показали, что эффект температурного разделения внутри вихревой трубы можно описать с помощью уравнений газовой динамики без привлечения дополнительных гипотез. Наличие эффекта температурного разделения проявляется даже в случае слабо сжимаемой среды, когда сжимаемость учитывается только в уравнении теплопроводности.

        В случае сжимаемой среды эффект проявляется, естественно, сильнее.

        В вычислительных экспериментах было выяснено, что наибольшее влияние на эффект температурного разделения влияет угол наклона входного потока а. При увеличении а резко возрастает температура на выходах вихревой трубки, и вихревая труба начинает работать в режиме нагрева.

        Уменьшение диафрагменного и дроссельного выходов приводит к росту температурного эффекта и к уменьшению температурного КПД.

        Увеличение числа Рейнольдса приводит к росту температурного КПД и увеличению эффекта температурного разделения. При числе Рейнольдса Re=300 (для L=2) возникает эффект запирания, когда почти весь поток перераспределяется в сторону дроссельного выхода.

        Увеличение эффекта температурного разделения наблюдается в интервале числе Маха М=0.86+0.96. Изменение числа Маха не приводит к изменению картин течения внутри трубы.

        Сравнение картин течения внутри трубы для сжимаемой и несжимаемой среды позволяет сделать вывод о том, что они топологически схожи, но центр вихря внутри области для сжимаемой среды расположен ближе к сопловому входу и диафрагме. Азимутальная компонента скорости имеет максимальное значение вблизи входа в трубу, что связано со счетной вязкостью метода. Для того, чтобы снизить счетную вязкость необходимо увеличение узлов разностной сетки по радиусу в «6 раз.

        Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Аликина, Ольга Николаевна, 2003 год

        1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М. Наука, 1976.

        2. Абрамович Г.Н. Трофимов Р.С. Вихревые течения с висячими областями отрыва и дальнобойными незакрученными центральными струями//ИФЖ.- 1987. Т.53, № 5. С. 751-757.

        3. Алексеев В.П. Мартыновский B.C. Эффект вихревого температурного разделения перегретых паров и опытная проверка гипотезы Хилша-Фултона // Изв. АН СССР. ОТН, 1956. №1. С. 121127.

        4. Аликина О.Н. Вычислительные эксперименты для вихревой трубки Ранка-Хилша. С.-Петербург, Вестник молодых ученых. 2002. №2.

        5. Аликина О.Н. Тарунин Е.Л. Вычислительные эксперименты для вихревого эффекта. Труды международной конференции « Прикладные проблемы механики » АРМ 2002.

        6. Аликина О.Н. Тарунин Е.Л. Расчет гидродинамики в трубке Ранка-Хилша. Сб. науч. труд. Перм. Воен. Инст-та ракетных войск, 1999, с. 20-25.

        7. Арбузов В.А. Дубнищев Ю.Н. Лебедев А.В. Правдина М.Х. Яворский Н.И. Наблюдение крупномасштабных гидродинамических структур в вихревой трубке и эффект Ранка. Письма в ЖТФ. 1997, т.23, №23, с. 84-90.

        8. Барсуков С.И. Кузнецов В.И. Вихревой эффект Ранка. Иркутск: Иркутский университет. 1983.

        9. Бахвалов Н.С. Численные методы. М. Наука, 1973. 631 с.

        10. Браиловская И.Ю. Явные разностные методы расчета отрывных течений вязкого сжимаемого газа. В кн. Некоторые применения метода сеток в газовой динамике. Вып. IV (Вязкие течения сжимаемого газа). М. МГУ. 1971, с.6-85.

        11. Бредшоу П. Себеси Т. Турбулентность. М. Машиностроение, 1980. 343 с.

        12. Бродянский В.М. Лейтес И.Л. Зависимость величины эффекта Ранка от свойств реальных газов// ИФЖ. 1962. Т.5, № 5. С. 38-41.

        13. Варапаев В.Н. Исследование задач внутренней аэродинамики и теплообмен зданий: Дис. докт. физ.-мат. наук. М. 1993.

        14. Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы I Всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ. 1971. С.25.

        15. Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы II Всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ. 1976. С.273.

        16. Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы III Всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ. 1981. С. 443.

        17. Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы IV Всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ. 1984. С. 283.

        18. Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы V Всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ. 1986. С. 256.

        19. Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы VI Всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ. 1993. С. 223.

        20. Волчков Э.П. Терехов В.И. Изв. СО АН СССР. Серия технич. наук (11) в. 3, -14. 1967.

        21. Гершуни Г.З. Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М. Наука, 1972. — 392 с.

        22. Гершуни Г.З. Жуховицкий Е.М. Непомнящий А.А. Устойчивость конвективных течений. М. Наука, 1989. 320 с.

        23. Годунов С.К. Рябенький B.C. Разностные схемы. М. Наука, 1973. -439 с.

        24. Гольдштик М.А. Штерн В.Н. Яворский Н.И. Вязкие течения с парадоксальными свойствами. Новосибирск: Наука, 1989.

        25. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, 1981.

        26. Гупта А. Лилли Д. Сайред Н. Закрученные потоки. М. Мир, 1987.

        27. Гусев А.П. Исхаков P.M. Жидков М.А. Комарова Г.А. Система подготовки попутного газа нефтедобычи к транспорту с применением регулируемой трехпоточной вихревой трубы. М. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2000, № 7, с. 16-18.

        28. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка. Успехи физических наук, 1997, т. 167, № 6, с. 665-687.

        29. Жидков М.А. Комарова Г.А. Гусев А.П. Исхаков P.M. Взаимосвязь сепарационных и термодинамических характеристик трехпоточных вихревых труб. М. Нефтегазовое оборудование, 2001, № 5, с.8-11.

        30. Жуков М.Ф. Коротаев А.С. Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. Новосибирск: Наука, 1975.

        31. Комарова Г.А. и др. Способ выделения аммиака из продувочных газов синтеза // Химическая промышленность, 1975. № 4. С. 37.

        32. Кузнецов В.И. Автореф. дис. докт. техн. наук. JL: Лен. техн. институт холодильной промышленности. 1991.

        33. Кузнецов В.И. Теория и расчет эффекта Ранка. Омск: Омский гос. тех. универ. 1995.

        34. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.6. Гидродинамика. М. Наука, 1986. 736 с.

        35. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М. Наука, 1987.

        36. Любимов Д.В. Тарунин Е.Л. Ямшинина Ю.А. Теоретическая модель эффекта Ранка-Хилша.- Пермь: Пермский университет// Научный журнал « Математика ». Вып. 1, 1994, с. 162-177.

        37. Мальцева Е.Н. Тарунин Е.Л. Расчет гидродинамики в трубке Ранка-Хилша. Сборник научных трудов. Перм. Воен. инст-та ракетных войск, 1999, с.20-25.

        38. Мартынов А.В. Бродянский В.М. Исследование параметров вихревого потока внутри трубы Ранка-Хилша // ИФЖ. 1967. т. 12, №5. С.639-644.

        39. Меркулов А.П. Гипотеза взаимодействия вихрей. //Изв. вузов. Энергетика. 1964. №3. С.74-82.

        40. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М. Машиностроение, 1969.

        41. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. -Куйбышев: КуАИ, 1988.

        42. Меркулов А.П. Волны плавучести как тепловой насос. ДАН. 1995, т. 343, №1, с. 57-59.

        43. Метенин В.И. Исследование противоточных вихревых труб // ИФЖ. 1964. Т. 7, №2. С.95-102.

        44. Метенин В.И. К выводу уравнения рабочего процесса идеальной вихревой трубы // Изв. вузов. Авиационная техника.1972. № 2. С.175-176.

        45. Николаев В.В. Овчинников В.П. Жидков М.А. Комарова Г.А. Резвых А.И. Опыт эксплуатации регулируемой вихревой трубы на газораспределительной станции. М. Газовая промышленность, 1995, № 10, с.13-14.

        46. Николаев В.В. Жидков М.А. Комарова Г.А. Климов Н.Т. Никитин В.И. Райков А.А. Лободенков А.К. Использование вихревой трубы при низкотемпературном разделении сероводородсодержащих газов. М. Газовая промышленность, 1995, № 12, с.46-47.

        47. Николаев В.В. Овчинников В.П. Жидков М.А. Комарова Г.А. Эксплуатация регулируемой вихревой трубы в технологической схеме ГРС. М. Газовая промышленность, 1997, № 6, с.50-56.

        48. Пасконов В.М. Полежаев В.И. Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М. Наука, 1984. -285 с.

        49. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М. Энергоатомиздат, 1984. — 152 с.

        50. Пиралишвили Ш.А. Поляев В.М. Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Под ред. А.И. Леонтьева. М. УНПЦ « Энергомаш », 2000.- 412 с.

        51. Пиралишвили Ш.А. Развитие теории, разработка и внедрение методов расчета вихревых энергоразделителей с целью создания эффективных технических устройств: Дисс. докт. техн. Наук. М. 1991.

        52. Полежаев В.И. Бунэ А.В. Верезуб Н.А. и др. Математическое моделирование тепломассообмена на основе уравнений Навье-Стокса. М. Наука, 1987.-272 с.

        53. Полежаев В.И. Грязнов B.J1. Метод граничных условий для уравнений Навье-Стокса в переменных «вихрь-функция тока» // Доклады АН СССР. 1974. — т. 219. — №2.

        54. Рахматуллин Х.А. и др. Газовая динамика. М. Высшая школа, 1965, 723с.

        55. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М. Мир, 1980.

        56. Рочино JI. Аналитические исследования несжимаемого турбулентного потока в неподвижных трубах // Тр. Америк, общ-ва инж.-мех-ов. Серия Е. М. Мир, 1969, №2, с.7-16.

        57. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М. Наука, 1971.-552 с.

        58. Самарский А.А. Попов Ю.В. Разностные схемы газовой динамики. -М. Наука, 1975.-351 с

        59. Сковородко П.А. Моделирование течения в вихревой трубке Ранка-Хилша. Научные итоги 98, Новосибирск, 1999, с. 11-12

        60. Сковородко П.А. Тезисы докладов Десятой юбилейной международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным средствам, Переславль-Залесский, 7-12 июня 1999 г. М. МГИУ. 1999. -368.

        61. Суслов А. Д. и др. Вихревые аппараты. М. Машиностроение, 1985.

        62. Тарунин E.J1. Двухполевой метод решения задач гидродинамики вязкой жидкости. Пермь: Перм. ун-т, 1985.- 88 с.

        63. Тарунин E.JI. Вычислительный эксперимент в задачах свободной конвекции. Иркутск: Иркутский университет, 1990.-226с.

        64. Тарунин E.J1. Анализ аппроксимационных формул для вихря скорости на твердой границе // Учен, зап./ Перм. пед. ин-т, Серия Гидродинамика. -1976. -№152. -Вып.9.

        65. Тарунин Е.Л. О выборе аппроксимационной формулы для вихря скорости на твердой границе при решении задач динамики вязкойжидкости. // Численные методы механики сплошной среды. -Новосибирск. 1978. — т.9. — №7. — с. 97-111.

        66. Тарунин e.jl, Аликина О.Н. Вычислительные эксперименты для вихревой трубки Ранка-Хилша. // Вычислительные технологии, 2001, т. 6, ч.2, с. 363-371.

        67. Тарунин E.JL, Аликина О.Н. Вихревая трубка. Вычислительные эксперименты. Материалы III Всероссийской научной internet-конференции, Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г.Р. Державина, 2001. Вып. 12. С. 23-30.

        68. Теория турбулентных струй / Под. Ред. Г.Н. Абрамовича. М. Наука, 1984.

        69. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкости. В 2-х т. -Пер. с англ. М. Мир, 1991. т.1.- 504 е. — т.2. — 552 с.

        70. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. Киев: Наукова думка. 1989.

        71. Черный Г.Г. Газовая динамика. М. Наука, 1988. — 424 с.

        72. Чижиков Ю.В. Определение диаметра вихревой трубы в зависимости от степени расширения газа // Изв. вузов. Машиностроение. 1972. № 7. С.87-90.

        73. Чижиков Ю.В. // Тр. МВТУ « Глубокий холод и кондиционирование ». М. — 1976. — №239. — С. 127-129.

        74. Чижиков Ю.В. Развитие теории, методов и промышленное использование вихревого эффекта: Дис. докт. техн. наук. М. 1998.

        75. Штым А.Н. Аэродинамика циклонно-вихревых камер. Владивосток: Дальневосточный университет. 1985.

        76. Amitani Т. Adachi Т. Kato Т. Т. JSME 49 877. 1983.

        77. BalmerR. Т. J. Fluids Eng. 110 161. 1988.

        78. Chu J.Q. Ph D Thesis. Knoxville: The University of Tennessee. 1983.

        79. Hilsh R. Die Expansion von Gasen in Zentrifugalfeldes als Kalte prozes.// Z. Natroforsch. 1946. #1. S.208-214.

        80. Hilsh R. Rev. Sci. Instrum. 18 108,1947.

        81. Kurosaka M. Acoustic streaming in swirling flow and Ranque-Hilsh (vortex tube) effect // J. Fluid Sci. 1993. Vol. 124. P. 139-172.

        82. Kurosaka M. Chu J. Q. Goodman J. R.AIAA Paper 82-0592.

        83. Kurosaka M et al. AIAA Paper 83-0740.

        84. Kuroda H. Ph D Thesis. Knoxville: The University of Tennessee. 1983.

        85. Ranque G.L. Experiences sue la detentegeratai re avec productions simultanecs d’un echappement d’air froid //J. Phys. Radium. Paris. 1933. V. 7. №4. P.112-115.

        86. Stephan K. et al. Int. J. Heat Mass Transfer 26 341. 1983.

        Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания.

        Источник: http://www.dissercat.com/content/gidrodinamika-i-teploobmen-v-vikhrevoi-trubke-ranka-khilsha-vychislitelnyi-eksperiment