|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Фундаментальное исследование новых методов энергоразделения газовых потоковНИР
Fundamental investigation of new methoods of gas flow energy separation
- Руководитель НИР: Леонтьев А.И.
- Ответственные исполнители: Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Осипцов А.Н.
- Участники НИР: Агеев А.И., Алексюк А.И., Бурцев С.А., Виноградов Ю.А., Голубкина И.В., Егоров К.С., Киселёв Н.А., Лущик В.Г., Макарова М.С., Медвецкая Н.В., Осипцов А.Н., Пелевина Д.А., Попович С.С., Рыбдылова О.Д., Стронгин М.М., Титов А.А., Хазов Д.Е.
- Подразделение: 108 Лаборатория аэродинамики больших скоростей и термогазодинамики
- Срок исполнения: 19 июня 2014 г. - 31 декабря 2018 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 14-19-00699
- Номер ЦИТИС: 115021270061
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Газовая динамика и теплообмен.
- ПН России: Транспортные и космические системы
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 30.17.31 Пограничный слой
- 30.17.35 Тепломассоперенос
-
Ключевые слова:
энергоразделение, лагранжев метод, коэффициент восстановления температуры, аэродисперсные среды
energy separation, aero dispersion medium, temperature recovery coefficient, lagrange method -
Описание:
Под термином «энергоразделение» или «безмашинное энергоразделение» понимается перераспределение полной энтальпии (температуры торможения) в потоке газа без совершения им внешней работы и теплообмена с окружающей средой. Причины, вызывающие энергоразделение потока, могут быть различными. В некоторых случаях это вихревые течения, в других случаях это связано с пульсациями давления и возникновением ударных волн. Они легли в основу устройств для энергоразделения потока. Наиболее распространенные среди них - вихревые трубы Ранка-Хилша (ТРХ) и резонансные трубы Гартмана-Шпренгера (ТГШ). На данный момент создано множество разновидностей таких устройств, которые нашли широкое применение в промышленности. Их безусловными достоинствами являются: простота изготовления, высокая надежность, низкая инерционность, отсутствие систем смазки, возможность работать в широком диапазоне температур рабочего тела. С другой стороны им присущ и существенный недостаток, ограничивающий их применение в тепловых двигателях и установках – это высокие потери полного давления на выходе у горячего и холодного потоков. В связи с этим актуальна задача о создании метода энергоразделения сочетающего в себе высокую термическую эффективность с приемлемыми потерями полного давления. Руководителем проекта был предложен новый способ энергоразделения газового потока (Докл. РАН. 1997. Т.354. № 4), удовлетворяющий данным условиям. Он основан на известном газодинамическом эффекте - температура теплоизолированной стенки, обтекаемой потоком сжимаемого газа, может существенно отличаться от температуры торможения потока за счет диссипативных процессов, возникающих в пограничном слое. Устройство, реализующее данный способ, было запатентовано под названием «Труба Леонтьева» (ТЛ), патент РФ № 2106581. Его работоспособность была обоснована теоретическими расчетами (Леонтьев А.И. и др. //Изв. РАН. МЖГ. 2010. № 3. С. 103-109) и подтверждена экспериментально (Здитовец А.Г., Титов А.А. //ТПТ. 2013. Т.5. №9. С. 391-397) в совместной межвузовской (МГУ им. М.В. Ломоносова и МГТУ им. Н.Э. Баумана) научно-учебной лаборатории «Термогазодинамика». Устройство обладает важным преимуществом по сравнению с аналогичными ТРХ и ТГШ – один из потоков на выходе из ТЛ практически сохраняет полное давление. Эта особенность позволяет использовать его как совместно с ТРХ и ТГШ для получения более низких температур, так и отдельно в энергетических установках. Например, для создания теплообменного оборудования нового поколения, существенного повышения эффективности систем охлаждения в газоперекачивающих агрегатах, снижения необратимых потерь газа на газораспределительных станциях, заменив огневые подогреватели, создания принципиально новых схем работы замкнутых газотурбинных установок (ЗГТУ). Однако целый ряд процессов, влияющих на эффективность данного способа энергоразделения, остается недостаточно изученной. В частности: - влияние проницаемости. Впервые коллективом лаборатории зафиксирован факт реверсии температурного разделения потоков в канале с проницаемыми стенками (Виноградов, Здитовец и др. МЖГ. 2013. № 5. С. 134-145.). Численные расчеты (Леонтьев А.И и др. Изв. РАН. МЖГ. 2011. № 6. С. 110-117.) показывают существенное увеличение энергоразделения на проницаемых поверхностях. - влияние волновых и пульсационных эффектов. Известно, что в области отрывных течений фиксируется снижение температуры теплоизолированной стенки и рост коэффициента теплоотдачи, использование данного явления может привести к повышению эффективности энергоразделения. - влияние теплофизических свойств рабочего тела. Известно существенное влияние критерия Прандтля потока на эффект энергоразделения. Поэтому одно из направлений повышение эффективности данного метода – использование в качестве рабочего тела смесей газов с низким критерием числа Прандтля (He-Xe, H2-Xe, He-Ar, H2-Ar), которые также являются рабочими телами ЗГТУ. Однако, по мнению авторского коллектива, наиболее перспективным направлением для существенного повышения эффективности энергоразделения является использование газокапельного потока в качестве рабочего тела (жидкая фаза, принимающая термодинамическую температуру потока, под действием сил Сэфмана выпадает на стенку, существенно снижая ее температуру). Как было показано в предшествующих работах А.Н. Осипцова с соавторами (см., например, обзор (Osiptsov A.N., Appl. Mech. Reviews, V.50, N6, 1997, 357-370)), в двухфазных пограничных слоях на продольно обтекаемых поверхностях становится важным учет подъемных сил сдвиговой природы (сил Сэфмана), действующих на частицы и капли в силу локально сдвигового характера потока на масштабе частиц. Под действием сил Сэфмана дисперсная фаза может выносится на стенку, что в свою очередь может приводить к резкому усилению интенсивности теплообмена (Osiptsov AN, Shapiro Ye.G., Int. J. Heat Mass Transfer, 1993). Цель проекта исследовать теоретически и экспериментально указанные способы повышения эффективности нового метода энергоразделения, определить режимы максимальной холодопроизводительности, предложить способы внедрения в энергетические установки и системы
-
Abstract:
The purpose of the project is to investigate theoretically and experimentally the possible ways to improve the efficiency of a new method of energy separation, proposed AI Leontiev, and to determine the maximum cooling efficiency, a ways of implementation in power plants and systems
-
Основные результаты:
За отчетный период в области экспериментального исследования энергоразделения по базовой схеме получены следующие результаты: - увеличение начального числа Маха сверхзвукового потока с М=1.8 до М=2.5 приводит к росту абсолютной величины энергоразделения (разность температур торможения на выходе из горячего и холодного каналов) на 15-20% во всем исследованном диапазоне относительных массовых расходов 0.08-0.8 и начальных температур 25-70С потоков. - увеличение начальной температуры потоков на входе в устройство с 25 до 70С приводит к росту абсолютной величины энергоразделения на 10-15% во всем исследованном диапазоне относительных массовых расходов 0.08-0.8 и начальных чисел Маха сверхзвукового потока М=1.8; 2.0; 2.5 - схема организации течения (прямоточная, противоточная) оказывает минимальное влияние (сравнимое с погрешностью эксперимента) на абсолютную величину энергоразделения в исследованном диапазоне параметров (М=1.8; 2.0; 2.5, относительный массовый расход 0.08-0.8, начальные температуры потоков 25-70С) - введение интенсификаторов теплообмена в дозвуковом канале устройства в виде кольцевых круглых выступов привело к росту абсолютной величины энергоразделения на 15% в исследованной области параметров (М=1.8; относительный массовых расход 0.08-0.9, начальная температура 25С) - впервые получены данные сравнительного эксперимента по влиянию воздушно-капельного потока на энергоразделение в исследуемом устройстве. Для исследованных режимов (М=2.0; относительный массовых расход 0.15; 0.35, начальная температура 19; 55 С) впрыск в ресивер сверхзвукового потока водяных капель диаметром 150-200 мкм привел к охлаждению сверхзвукового потока на 20-25С и нагреву дозвукового потока на 0.5-5С по сравнению с однофазным рабочим телом. Массовая доля капель варьировалась в пределах 0.5-1%. Полученные данные требуют глубоко анализа. Также экспериментально показано, что форма предвключенного участка в модифицированном устройстве с проницаемыми стенками практически не влияет на величину энергоразделения. Получены данные для начальных температур потока 25;50С и давлений 1.5-5 атм. На модернизированном экспериментальном стенде для исследования безмашинного энергоразделения в потоке сжимаемого газа получены новые результаты по влиянию начальных параметров газокапельной (газ – воздух, капли – вода) смеси и начальной влажности паро-воздушной смеси на величину эффекта энергоразделения при турбулентном течении со сверхзвуковой скоростью (М=1.8, 2.0) в осесимметричном канале. Размер капель воды в воздушно капельном потоке изменялся в диапазоне (40-150 мкм). В паро-воздушной смеси начальная влажность варьировалась в диапазоне от 0.1 до 98%. Можно отметить следующие экспериментально зафиксированные тенденции. Как в случае воздушно-капельного потока, так и в случае потока влажного воздуха увеличение содержания влаги приводило к росту температуры стенки осесимметричного канала, по сравнению с ее величиной полученной для случая сухого воздуха при идентичных начальных параметрах. Рост температуры стенки в итоге приводит к снижению эффекта энергоразделения потока. Вероятно, причины данного явления для каждого случая различны. В случае воздушно-капельного потока времени пребывания капли в сверхзвуковом канале ≈1 мкс недостаточно для ее существенного охлаждения, и ее температура остается практически равной начальной, поэтому капли, попадающие в пограничный слой, повышают его температуру, в итоге температура стенки также растет. В случае влажного воздуха – температура капель после скачка конденсации должна быть равна (в случае гомогенной конденсации) термодинамической температуре потока. Частично рост величины температуры стенки вызван торможением потока в скачке конденсации, другие причины пока не ясны и требуют детального анализа. При этом закрутка потока непосредственно перед сверхзвуковым соплом приводит к существенному снижению температуры стенки в случае влажного воздуха по сравнению с сухим. Это подтверждает верность направления – использование влажного воздуха в качестве рабочего тела для повышения эффекта энергоразделения. При этом на первый план выходит задача об эффективном способе осаждения образовавшихся в сверхзвуковом потоке капель на стенку канала устройства. В результате сравнительного экспериментального исследования влияния генерируемых волн сжатия на эффект безмашинного энергоразделения показано, что установка ребер приводит к увеличению статического давления в сверхзвуковом канале (до 2.2 раза) и росту температуры стенки (в абсолютных значениях – до 2.5% в конце рабочего участка). Наибольший рост параметров наблюдается на цилиндрическом участке сверхзвукового канала. Установка ребер в коническо-цилиндрическом сверхзвуковом канале привела к уменьшению эффекта энергоразделения на выходе из устройства. Максимальное зафиксированное уменьшение суммарного эффекта энергоразделения составило около 11.5% для режима с числом Маха 2.5, температурой торможения 70°С в конфигурации сверхзвукового канала с тремя ребрами. При уменьшении длины цилиндрического участка рабочего канала (с 300 до 200 мм) эффекты энергоразделения для гладкого и оребренного каналов практически сравнялись. Сделан вывод о целесообразности использования ребер в сверхзвуковом канале устройства энергоразделения в случае полностью расширяющегося канала без цилиндрических участков. Несмотря на уменьшение эффекта энергоразделения при возникновении волн сжатия в сверхзвуковом канале, работоспособность устройства сохраняется. Этот факт может способствовать внедрению устройства в промышленности, поскольку устраняется риск потери работоспособности в случае непредвиденного возникновения волн сжатия в сверхзвуковом канале устройства. В рамках эксперимента получено, что режим противотока работы исследуемого устройства с оребрением в сверхзвуковом канале оказывается эффективнее, чем режим прямотока на величину до 16.6%. С увеличением числа Маха на входе от 1.9 до 2.5 эффект энергоразделения в канале с оребрением возрастает на величину до 13%. Повышение температуры торможения от 40 до 70°С также привело к увеличению эффекта энергоразделение на величину до 9.4%. В результате исследования параметров теплообмена в области отрывного течения в сверхзвуковом потоке зафиксировано уменьшение коэффициента восстановления температуры (неопределенность измерения ±0.8%) при течении на плоской стенке за ребром на величину от 3.6% при высоте ребра 2 мм до 7.7% при высоте ребра 8 мм в сравнении с безотрывным обтеканием гладкой стенки. Размерный коэффициент теплоотдачи (неопределенность измерения ±9.6%) возрастает на величину до 33% для оребренной стенки в сравнении с гладкой. Максимальное увеличение числа Стэнтона (неопределенность измерения ±9.5%) наблюдалось при высоте ребра равного толщине пограничного слоя и составило от 29 до 42%. При течении за ребром разность между температурой торможения и адиабатной температурой стенки возрастает на величину от 23 до 58% в сравнении с режимом обтекания гладкой стенки. Таким образом, в области отрывного течения сверхзвукового потока за ребром зафиксировано одновременное уменьшение коэффициента восстановления температуры и интенсификация теплоотдачи. Как следует из выражения для теплового потока в устройстве энергоразделения, оба этих эффекта способствуют увеличению количества теплоты, передаваемой от дозвукового потока к сверхзвуковому в устройстве безмашинного энергоразделения. Экспериментально получено увеличение адиабатной температуры стенки в области падения волны сжатия на плоскую стенку на величину до 2% в абсолютном значении в сравнении с обтеканием гладкой стенки без вносимых возмущений в поток. Статическое давление в области падения волны сжатия при этом выросло до 2.2 раза. Увеличение коэффициента восстановления температуры составило до 3.5% (до значения 0.92) при неопределенности измерения ±1.6%. Разность между температурой торможения и адиабатной температурой стенки в области падения волны сжатия уменьшается на величину до 30% в сравнении обтеканием гладкой стенки. Таким образом, уменьшается температурный напор и, соответственно, потенциал для безмашинного энергоразделения. С целью повышения точности определения коэффициента теплоотдачи в потоке сжимаемого газа при взаимодействии волны сжатия с пограничным слоем предложено учитывать полученное увеличение адиабатной температуры стенки и коэффициента восстановления в области взаимодействия. С использованием дифференциальной модели турбулентности проведено численное исследование пограничного слоя на проницаемой стенке в сверхзвуковом потоке газа. Для ряда значений числа Прандтля получены величины коэффициента восстановления температуры при вдуве и отсосе газа в широком диапазоне параметра проницаемости – от критического вдува до асимптотического отсоса. На примере вдува воздуха в сверхзвуковой воздушный поток рассмотрено два способа определения температуры теплоизолированной проницаемой стенки. Первый представляет собой решение задачи с граничным условием равенства нулю теплового потока в стенку. Второй аналогичен экспериментальному способу, когда температура вдуваемого газа в некотором сечении по длине пластины становится равной температуре стенки. Полученные двумя способами величины температуры теплоизолированной стенки и коэффициента восстановления температуры при вдуве, меньше критического, близки между собой. При критическом вдуве результаты, полученные двумя указанными выше способами, отличаются. В области численного эксперимента выполнено моделирование при разных значениях числа Прандтля и Маха и неизменной геометрии устройства энергоразделения (т.е. при проведении оптимизации по 2 параметрам). Для моделирования использовался открытый пакет вычислительной газодинамики и теплообмена OPENFOAM, который основан на хорошо известном методе контрольного объема с k- моделью турбулентности. Получены следующие рекомендации по увеличению эффективности устройства энергоразделения – использование конической трубы для сверхзвукового потока с небольшим углом раскрытия с минимально необходимым диаметром, максимальной длиной l/d70 и числом Маха в канале от 3,0 до 4,0. Для увеличения эффекта необходимо использовать различные способы интенсификации теплообмена и снижения коэффициента восстановления (например, снижение числа Прандтля рабочего тела при наличии такой возможности). На базе имеющихся методик расчета вихревой трубы Ранка-Хилша и устройства, реализующего безмашинное энергоразделение в сверхзвуковом потоке газа создана методика расчета устройства газодинамического вихревого энергоразделения. Проведено сравнение эффективности работы вихревой трубы Ранка-Хилша, устройства, реализующего эффект безмашинного энергоразделения в сверхзвуковых потоках и предлагаемого устройства вихревого безмашинного энергоразделения при работе на природном газе. Показано, что охлаждение половины суммарного расхода газа в случае использования вихревой трубы составит 30-35 K, устройства, реализующего безмашинный метод энергоразделения, - 12-15 K, а предложенного комбинированного устройства 40-45 K. Проведено исследование влияния состава бинарных смесей инертных газов на их теплофизические свойства. Проанализированы результаты расчетов значений коэффициента динамической вязкости, коэффициента теплопроводности и теплоемкости при постоянном давлении для данных смесей в зависимости от молекулярной массы смеси для давлений 2 МПа и 7 МПа и температуре 400 К и 1200 К. Выполнен анализ применения устройства безмашинного энергоразделения для редуцирования природного газа с нагревом редуцируемого газа и отводом охлажденного газа в систему сжижения. Показано, что при типовых условиях эксплуатации газораспределительной станции и номинальной производительности 10 000 нм3/ч производство сжиженного природного газа составит 1.2 т/ч. Показано, что при этом можно отказаться от дополнительного нагрева редуцируемого газа, на который в настоящее время тратиться до 1 % проходящего газа, повысив безопасность работы и экологические показатели эксплуатации газораспределительных станций. Проведенный анализ целесообразности строительства данных установок в России показал, что данные установки могут быть востребованы приблизительно на 1 000 газораспределительных станций Российской Федерации. В рамках двухконтинуального подхода проведено параметрическое численное исследование влияния примеси испаряющихся капель на структуру высокоскоростного ламинарного сжимаемого пограничного слоя на теплоизолированной пластине. Рассмотрен случай малоинерционных капель, которые не успевают осаждаться на стенку под действием боковых сил сдвиговой природы и испаряются внутри пограничного слоя, а также случай достаточно крупных капель, оседающих и испаряющихся на стенке под действием силы Сэфмана. На примере расчетов для смеси «воздух – капли воды» в условиях, когда равновесная температура стенки превосходит температуру внешнего потока на несколько десятков градусов, показано, что внутри пограничного слоя возникает пристеночная зона чистого газа, на границе которой происходит полное испарение капель (радиус капель стремится к нулю), а их числовая концентрация заметно возрастает. Суммарный эффект локального накопления и испарения дисперсной фазы приводит к существенному изменению профилей температуры несущей фазы в пограничном слое и понижению (на десятки процентов) равновесной температуры стенки даже при небольших (порядка процентов) массовых содержаниях капель в набегающем потоке. В области течения, где скоростная релаксация фаз уже завершилась и сформировалась развитая область чистого газа, равновесная температура стенки зависит лишь от числа Маха внешнего потока и еще одного параметра подобия, который равен отношению массовой концентрации дисперсной фазы и безразмерного параметра, характеризующего скорость испарения капель. Подтвержденный расчетами эффект значительного влияния примеси мелких испаряющихся капель на снижение равновесной температуры адиабатической стенки делает перспективным использование конденсированной фазы в схемах энергоразделения газового потока, основанных на теплообмене между течениями в до- и сверхзвуковых пограничных слоях. Численные расчеты задачи о теплообмене между пограничными слоями в до- и сверхзвуковом потоках чистого газа, разделенными тонкой теплопроводной стенкой, показали, что наиболее существенными определяющими параметрами, влияющими на эффективность теплообмена и энергоразделения, являются число Прандтля газа и число Маха сверхзвукового потока. Оказалось, что для газов, у которых числа Прандтля близки к единице (например, для воздуха с Pr = 0.72), разность между средними температурами торможения в обоих пограничных слоях совсем невелика (не превышает 1%). При уменьшении числа Прандтля профили температуры торможения в пограничных слоях существенно изменяются. В этом случае эффективность энергоразделения газов может достигать 7%. Проведено параметрическое численное исследование влияния примеси мелкодисперсных капель, испаряющихся в сверхзвуковом пограничном слое, на эффективность безмашинного метода энергоразделения газового потока по схеме А.И. Леонтьева (основанной на теплообмене между течениями в до- и сверхзвуковом пограничных слоях, разделенных тонкой теплопроводной перегородкой). Установлено, что даже при незначительной исходной массовой концентрации капель (порядка процентов) эффективность энергоразделения (разность средних температур торможения газа, прошедшего до- и сверхзвуковой пограничный слои, отнесенная к исходной температуре торможения потока) может быть увеличена до десятка процентов. Этот факт открывает новые перспективы по использованию жидкой конденсированной фазы для повышения эффективности рассматриваемого метода безмашиного энергоразделения газового потока.
- Добавил в систему: Леонтьев Александр Иванович
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 19 июня 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Фундаментальное исследование новых методов энергоразделения газовых потоков |
| Результаты этапа: Методами термодинамики газовых потоков найдены максимально возможные величины энергоразделения газового потока, которые определяются, числом Прандтля и режимом течения сверхзвукового потока. При этом показано, что параметры дозвукового потока не влияют на данную величину. Показано, что эффективность работы и характеристики энергоразделяющего устройства для газов с малыми и большими числами Прандтля сильно зависят от схемы организации течения и геометрии сверхзвукового канала. Реализовать большее энергоразделение при одинаковых параметрах потоков на входе в устройство можно при противоточной схеме организации течения, при этом изменение поперечного сечения сверхзвукового канала должно происходить таким образом, чтобы обеспечить постоянство числа Маха по длине канала. На созданном экспериментальном стенде получены данные подтверждающие возможность энергоразделения в модифицированной трубе Леонтьева с проницаемыми стенками. Модернизирован экспериментальный стенд для исследования энергоразделения: создана система подготовки, впрыска и количественного анализа распределения второй фазы. Экспериментально показано, что переход от полностью конического к коническо - цилиндрическому каналу приводит к существенному (до 30 %) снижению потерь полного давления в сверхзвуковой части устройства, при этом эффективность энергоразделения практически не меняется. Построена двухконтинуальная модель ламинарного газокапельного пограничного слоя на плоской стенке с учетом сжимаемости несущей фазы и подъемных сил в межфазном обмене импульсом. Рассмотрен диапазон параметров, соответствующий испарению капель при их контакте со стенкой, температура которой считается достаточно высокой. На основании параметрических численных расчетов уравнений двухфазного пограничного слоя исследовано влияние испаряющихся капель на равновесную температуру теплоизолированной (адиабатической) стенки. Показано, что наличие даже очень малой концентрации капель (порядка процента и менее) может приводить к значительному (порядка десятка процентов) снижению температуры адиабатической стенки, что делает перспективным использование испаряющейся конденсированной фазы в схемах энергоразделения газовых потоков, основанных на теплообмене между до- и сверхзвуковым потоком газа. По результатам проведенных численных исследований подготовлена статья в журнал «Теплофизика высоких температур». С использованием дифференциальной модели турбулентности проведено численное исследование пограничного слоя на проницаемой стенке в сверхзвуковом потоке газа. Для ряда значений числа Прандтля получены величины коэффициента восстановления температуры при вдуве и отсосе газа в широком диапазоне параметра проницаемости – от критического вдува до асимптотического отсоса. На примере вдува воздуха в сверхзвуковой воздушный поток рассмотрено два способа определения температуры теплоизолированной проницаемой стенки. Первый представляет собой решение задачи с граничным условием равенства нулю теплового потока в стенку. Второй аналогичен экспериментальному способу, когда температура вдуваемого газа в некотором сечении по длине пластины становится равной температуре стенки. Полученные двумя способами величины температуры теплоизолированной стенки и коэффициента восстановления температуры при вдуве, меньше критического, близки между собой. При критическом вдуве результаты, полученные двумя указанными выше способами, отличаются. | ||
| 2 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Фундаментальное исследование новых методов энергоразделения газовых потоков |
| Результаты этапа: Развиты математические модели двухфазного ламинарного пограничного слоя с примесью испаряющихся капель на адиабатической плоской стенке. Рассмотрены диапазоны околозвуковых и сверхзвуковых скоростей внешнего потока, когда необходимо учитывать сжимаемость несущей фазы, а равновесная температура стенки превосходит температуру испарения капель. Исследованы как режимы выпадения капель на стенку и формирования жидкой пленки, что характерно для достаточно крупных капель, так и режим испарения капель в пограничном слое, что характерно для мелких капель с высокой скоростью испарения. На основании параметрических численных расчетов структуры двухфазного сжимаемого пограничного слоя с мелкими испаряющимися каплями исследовано влияние капель на равновесную температуру адиабатической стенки и определены параметры подобия, определяющие величину эффекта влияние капель на снижение температуры стенки. Показано, что суммарный эффект локального накопления и испарения дисперсной фазы в пограничном слое приводит к существенному изменению профилей температуры несущей фазы в пограничном слое и понижению (на десятки процентов) равновесной температуры стенки даже при небольших (порядка процентов) массовых содержаниях капель в набегающем потоке. Выполненно моделирование при разных значениях числа Прандтля и Маха и неизменной геометрии устройства энергоразделения (т.е при проведении оптимизации по 2 параметрам) показало, что оптимальные значения чисел Маха, соответствующей максимальной эффективности лежат в пределах от 3,5 до 4,0 Махов, при уменьшении числа Прандтля оптимальное число Маха несколько увеличивается, экстремум имеет достаточно пологий характер. Параметр, по которому оценивалось эффективность устройства энергоразделения – отношение теплового потока, переданного в устройстве отнесенного к расходу по сверхзвуковой части. Отношение длины рабочей части (без учета длины сопла, ресивера и т.д.) к диаметру канала (по входу) составляло l/d=100. Учет только изменения числа Прандтля при неизменном числе Маха показал, что уменьшение числа Прандтля от значения 0,7 до 0,2 позволяет увеличить тепловой поток приблизительно в 2 раза. Проведенные расчеты при изменении диаметра устройства газодинамического энергоразделения при неизменном числе Маха (2,5) и числе Прандтля (0,7) показало, что тепловой поток, отнесенный к расходу по сверхзвуковому потоку и площади теплообмена, сильно увеличивается (при уменьшении диаметра приблизительно в 1,5 раза такой удельный тепловой поток увеличивается приблизительно в 3 раза). Здесь возникают чисто технологическая проблема изготовления минимально возможного диаметра устройства и минимально необходимого расхода рабочего тела. | ||
| 3 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Фундаментальное исследование новых методов энергоразделения газовых потоков |
| Результаты этапа: На основе параметрических численных расчетов исследована эффективность метода безмашинного энергоразделения в газовом потоке при стационараном течении в сверх- и дозвуковом пограничных слоях, разделенных тонкой перегородкой. Энергоразделение обусловлено теплообменом между до- и сверхзвуковым потоками, имеющими одинаковую исходную температуру торможения. Исследованы течение чистого газа, а также влияние примеси мелких испаряющихся капель в сверхзвуковом пограничном слое на повышение эффективности энергоразделения. Показано, что при течении чистого газа уменьшение числа Прандтля приводит к существенному увеличению различий в профилях температуры торможения в до- и сверхзвуковом пограничном слоях и заметному повышению эффективности исследуемого метода безмашинного энергоразделения. Присутствие небольшого количества капель жидкости, испаряющихся в сверхзвуковом пограничном слое может приводить к значительному снижению температуры в пристеночной области сверхзвукового пограничного слоя, что, в свою очередь, приводит к интенсификации теплообмена между до- и сверхзвуковым газовыми потоками. Выявлен основной безразмерный параметр, характеризующий повышение тепловых потоков через разделительную пластину. Таким параметром является отношение массовой концентрации капель к безразмерному параметру, характеризующему скорость испарения капель. Параметрические расчеты температуры торможения газа в пограничных слоях вдали от начала разделительной пластины показали, что присутствие даже очень малой концентрации испаряющихся капель (порядка процентов) в сверхзвуковом пограничном слое приводит к резкому увеличению разности осредненных температур торможения газа в пограничных слоях. Таким образом, использование примеси испаряющихся капель в сверхзвуковом пограничном слое является перспективным способом повышения эффективности энергоразделения в газовом потоке по схеме А.И. Леонтьева. | ||
| 4 | 3 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Фундаментальное исследование новых методов энергоразделения газовых потоков |
| Результаты этапа: В 2017 году на основании проведенных физических экспериментов были получены новые результаты по безмашинному энергоразделению газовых потоков, а именно: - предложена новая конструкция устройства, основанная на организации многоканальных потоков сжимаемого газа. Проведенные эксперименты подтвердили эффективность предлагаемой конструкции по сравнению с одноканальной схемой; -экспериментально доказана возможность существенного увеличения эффекта энергоразделения за счет использования проницаемых поверхностей каналов; - экспериментально подтверждена идея организации скачков конденсации для более эффективного использования располагаемого перепада температур в потоке сжимаемого газа Осуществлена постановка задачи о совместном течении двухфазного сверхзвукового и однофазного дозвукового пограничных слоев, разделенных тонкой теплопроводной перегородкой с учетом различных начальных рассогласований температур и скоростей фаз. В дополнение к ранее исследованным режимам течения, рассмотрен режим отсутствия испарения капель (диапазон относительно низких температур). Это потребовало значительного усложнения модели двухфазного пограничного слоя, учета неоднородности температуры внутри капель, а также возможного формирования жидкой пленки на обтекаемой стенке. Разработаны программные средства и проведены отладочные расчеты для одномерного двухфазного течения в невязкой области с учетом релаксации скоростей фаз и температур фаз, а также течения в двухфазном пограничном слое на адиабатической пластине. Проведенные расчеты свидетельствуют о возможности резкого снижения температуры восстановления на стенке за счет выпадения капель и формирования жидкой пленки. Предварительные расчеты показывают, что при снижении температуры капель в начальном сечении температуру восстановления несущей фазы на адиабатической стенке можно снизить практически до температуры капель во внешнем потоке. Проведенные расчеты подтвердили необходимость решения на каждом шаге уравнения теплопроводности внутри капель для корректного определения температуры поверхности капель и средней температуры капель, выпадающих на стенку. Кроме того, были получены предварительные численные результаты для теплообмена двухфазного пограничного слоя в указанном режиме с дозвуковым пограничным слоем чистого газа. Проведенные предварительные расчеты дают обнадеживающие результаты в плане возможного использования жидких капель в рассматриваемом режиме течения на повышение эффективности энергоразделения по схеме А.И. Леонтьева. 2. Начато численное исследование влияния нестационарных эффектов на процесс энергразделения газового потока на примере задачи об обтекании плоского цилиндра вязким сжимаемым газом в режиме нестационарного схода вихревой дорожки. Рассмотрены следующие диапазоны чисел Рейнольдса (Re ≤ 103), Маха (M ≤ 0.6) и Прандтля (0.2 ≤ Pr ≤10). Начально-краевые задачи для уравнений Навье-Стокса решаются в переменных давление-скорость-температура стабилизированным методом конечных элементов (о методе см.: T.J.R. Hughes, G. Scovazzi, T.E. Tezduyar, Stabilized methods for compressible flows// J. Scientific Computing, 43 (3), 2010, pp. 343-368; А.И. Алексюк, Канд. диссер. МГУ. 2013) на неструктурированных треугольных/тетраэдральных сетках. Для двумерных нестационарных течений реализована процедура адаптации сетки во время счета, повышающая эффективность и точность расчетов путем сгущения (разрежения) узлов в местах больших (малых) градиентов параметров течения. Программы имеют параллельную реализацию и развернуты на суперкомпьютерном комплексе МГУ. Основное внимание уделено сравнительному анализу вкладов различных физических механизмов разделения полного теплосодержания в жидких частицах, движущихся вокруг цилиндра: влияния вязкости, теплопроводности, а также нестационарности потока за цилиндром. Исследован также процесс энергоразделения в осредненном по времени течении за цилиндром. Проанализированы причины возникновения низкой температуры стенки адаиабатичекого цилиндра вблизи задней критической точки (эффект Эккерта-Вайса). Для области чисел Прандтля меньших или равных единице предложена новая зависимость значения коэффициента восстановления температуры от величины числа Прандтля и выполнена ее верификация по известным данным (максимальное отклонение значения коэффициента восстановления температуры не превышает 1,5%). Предложена схема замкнутой газотурбинной установки с устройством газодинамической температурной стратификации, позволяющим за счет эффекта газодинамической температурной стратификации повысить температуру теплоносителя, выходящего из холодильника-излучателя при сохранении значения нижней температуры цикла (температуры на входе в компрессор). Создана расчетная модель, показавшая, что для предложенной схемы при повышении температуры на выходе из холодильника-излучателя на 28-30 K и уменьшении его площади на 13,4-13,7% КПД цикла снижается на 2% по сравнению с традиционной схемой замкнутой газотурбинной установки. | ||
| 5 | 10 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Фундаментальные исследования новых методов энергоразделения газовых потоков |
| Результаты этапа: 1. Проведены экспериментальные исследования энергоразделения воздушного потока в пористом проницаемом канале с предвключенным непроницаемым участком (сверхзвуковым/звуковым соплом) – комбинированном проницаемом сопле. По сравнению с данными 2017 года почти в три раза (с 8 атм. до 22 атм) увеличен перепад давления в устройстве. Получены следующие новые результаты: Начиная с некоторой величины давления торможения в форкамере, характер распределения температуры внешней поверхности проницаемой трубки не меняется. При этом дальнейший рост давления приводит к снижению температуры поверхности на величину равную эффекту Джоуля-Томсона для данного интервала температур и давлений. С ростом перепада давлений наступает режим, при котором величина энергоразделения потоков достигает максимального значения. Дальнейшее увеличение давления приводит к постепенному снижению величины энергоразделения. Для выявления сущности полученного эффекта построены одно- и двумерная математические модели устройства. Проведена валидация предложенных моделей в широком диапазоне изменения параметров (M_is=1.0;1.4., P_0^*=1.01-22 атм). Использование одномерной модели позволило подробно изучить режимы течения в канале пористой трубки, оценить влияние размеров частиц и пористости на распределение статического давления и числа Маха по длине канала. Применение двумерной (осесимметричной) модели позволило получить детальную информацию о процессах, происходящих внутри устройства: распределения статического и полного давлений вдоль сопла и проницаемой трубки; профили скорости и температуры; температурное поле поверхности проницаемой трубки. Впервые численным методом обнаружен эффект снижения энергоразделения по мере приближения течения к асимптотическому отсосу. Позднее этот факт был подтверждён экспериментально. Использование численного моделирования позволило определить картину течения внутри пористой трубки: наличие системы скачков уплотнения, вызванных ступенчатым переходом от сопла непосредственно к пористой трубке. при перепадах давления выше расчётного (для каждого типа сопла) внутри трубки наблюдается сверхзвуковое течение. Максимальный эффект энергоразделения наблюдается при режимах, для которых число Маха канала остаётся постоянным по длине. На базе разработанных моделей исследовано влияние геометрии канала (начального число Маха) на величину энергоразделения. Так, например, при переходе от сужающегося сопла (M_is=1.0) к профилированному соплу Лаваля (M_is=1.4) величина охлаждения потока ΔT_c^*=T_w^*-T_0^* увеличивается от ΔT_c^*=-4.8 °C до ΔT_c^*=-5.9 °C при течении воздуха и m_w/m_0=0.27. Проведённые исследования показали существенное влияние вида рабочего тела на величину энергоразделения. В частности, для сужающегося сопла (M_is=1.0) и m_w/m_0=0.3 при течении воздуха (Pr=0.71) величина охлаждения потока составляет ΔT_c^*=-5.1 °C, а для смеси H2-Xe (Pr=0.19) — ΔT_c^*=-15.2 °C. 2. Впервые получены данные по эффекту энергоразделения в комбинированном проницаемом сопле при использовании влажного воздуха в качестве рабочего тела. Исследования проведены со сверхзвуковым соплом (Mis=1.4) в качестве предвключенного участка. Зафиксировано, что при данной конфигурации рабочего участка рост начальной влажности воздушного потока приводил к снижению эффекта энергоразделения. 3. При исследовании эффекта энергоразделения в устройстве типа «труба в трубе» (предложенном руководителем проекта) показано, что на режимах соответствующих максимальному снижению адиабатной температуры стенки (начальная температура воздуха T_0^*=46°C и относительной влажностью 79%-86%) охлаждение дозвукового потока увеличивается на 45 % по сравнению с режимами на сухом воздухе. 4. Проведено экспериментальное исследование параметров сверхзвукового газового потока в пограничном слое при обтекании плоской стенки и при наличии отрывного течения за ребром. Исследования проведены для турбулентного режима течения (число Рейнольдса составило не менее 20 миллионов) при числах Маха набегающего потока 2.25 и 2.45. Высота ребра варьировалась от 2 до 10 мм при толщине невозмущенного пограничного слоя на срезе сопла перед моделью около 6 мм. Полученный профиль скорости соответствует распределению во внешней области турбулентного пограничного слоя. Полученное распределение температуры торможения отражает характерный максимум температуры во внешней области пограничного слоя и снижение до значений ниже температуры ядра потока при приближении к стенке. Фиксируемое в эксперименте отличие температуры пристенных слоёв газа на теплоизолированной стенке от температуры торможения во внешнем сверхзвуковом потоке отражает фундаментальную основу эффекта сверхзвукового безмашинного энергоразделения. Установка ребра перед моделью приводит к утолщению теплового пограничного слоя в следе и значительному снижению температуры в пристенной области пограничного слоя – до 10 градусов в сравнении с обтеканием гладкой стенки. Этот результат подтверждает зафиксированный на предыдущем этапе эффект снижения адиабатной температуры стенки при течении в следе за ребром. В области методов численного моделирования, разрабатываемых авторским коллективом, в 2018 году проведены следующие работы 1. Проведено численное исследование энергоразделения при отсосе газа из турбулентного пограничного слоя в сверхзвуковом потоке на проницаемой плоской поверхности. Исследовано влияние чисел Прандтля и Маха набегающего потока на величину энергоразделения. Наиболее сильно энергоразделение проявляется для газов с малыми значениями числа Прандтля и при больших значениях числа Маха набегающего потока. Исследовано влияние ступенчатого отсоса различной интенсивности на величину энергоразделения для смеси He-Xe с числом Pr=0.17. Показано, что для ряда комбинаций пористых вставок различной длины с переменной интенсивностью отсоса можно получить существенную разность между температурой торможения набегающего потока и средней температурой отсасываемого газа. 2. Исследовано совместное влияние отсоса газа и продольного градиента давления в набегающем потоке на величину энергоразделения. Показано, что наиболее сильно эффект энергоразделения проявляется в сверхзвуковом потоке с торможением, а наличие отрицательного градиента давления уменьшает его величину по сравнению с безградиентным и заторможенным течением. Решена задача оптимизации и найдены режимы с максимальными значениями разделения температуры в исследованном диапазоне параметров для воздуха (Pr=0.7) и смеси He-Xe (Pr=0.17). Исследование совместного влияния продольного градиента давления и вдува (отсоса) газа на стенке на характеристики течения и теплообмена в дозвуковом потоке на проницаемой поверхности показало существенную зависимость таких величин, как турбулентное число Прандтля и коэффициент аналогии Рейнольдса от параметров течения. 3. В рамках исследования коэффициента восстановления температуры проницаемой поверхности (адиабатной температуры проницаемой стенки) проведено численное исследование ламинарного сжимаемого пограничного слоя на проницаемой пластине с вдувом для малых и больших чисел Прандтля для ряда температур вдуваемого газа. Для чисел Прандтля Pr<1 при значениях температуры вдуваемого газа ниже температуры адиабатной непроницаемой стенки проведенные расчеты подтвердили обнаруженный ранее эффект - существование области температур проницаемой стенки ниже температуры вдуваемого газа. Для чисел Прандтля Pr>1 при значениях температуры вдуваемого выше температуры адиабатной непроницаемой стенки температура проницаемой стенки становится выше температуры вдуваемого газа. Показано, что в такой постановке может существовать сечение при докритическом вдуве, в котором стенка является адиабатной и возможно определение коэффициента восстановления температуры. 4. Построена уточненная математическая модель течения в газокапельном пограничном слое, основанная на уравнениях двухфазного пограничного слоя с учетом обратного влияния капель на параметры несущей фазы и теплообмен с обтекаемой поверхностью, а также образования жидкой пленки. Рассмотрены случаи, когда на масштабе релаксации скоростей фаз необходимо учитывать неоднородность температуры по радиусу капли и приходится решать уравнение теплопроводности внутри капли совместно с уравнениями двухфазного пограничного слоя. В результате параметрического численного решения задачи исследованы распределения параметров фаз внутри пограничного слоя и равновесной температуры поверхности пластины. Установлено, что при исходных значениях массовой концентрации капель порядка нескольких процентов происходит снижение температуры стенки на десятки процентов. Показано, что увеличение коэффициента, характеризующего величину силы Сэфмана, способствует более интенсивному охлаждению пластины. Проведены расчеты параметров жидкой пленки, формирующейся на поверхности пластины, и показано, что в рассматриваемом диапазоне определяющих параметров наличие пленки практически не влияет на равновесную температуру адиабатической стенки. Выполненные параметрические численные расчеты показали, что добавление даже небольшой концентрации неиспаряющихся жидких капель в сверхзвуковой поток может быть использовано для повышения эффективности схемы безмашинного энергоразделения газовых потоков, предложенной руководителем проекта. 5. На основании проведенных параметрических численных исследований структуры нестационарного следа за уединенным цилиндром показано, что области повышенных и пониженных значений полной энтальпии сосредоточены вблизи вихрей, причем области газа, характеризующиеся пониженными значениями полной энтальпии, всегда располагаются ближе к центральной части следа. В осредненном по времени поле полной энтальпии область охлажденного газа находится за цилиндром вблизи оси симметрии. Наиболее заметное уменьшение полной энтальпии наблюдается в областях образования вихрей вблизи поверхности цилиндра. На основе сравнительного анализа вклада каждого слагаемого в уравнении переноса полной энтальпии выявлено влияние различных физических механизмов на процесс энергоразделения. Это позволило оценить влияние работы вязких сил, теплопроводности и нестационарности поля давлений на скорость изменения полной энтальпии в жидких частицах. Показано, что для описания наиболее сильного уменьшения осредненной полной энтальпии в области образования вихрей, а также объяснения эффекта Эккерта-Вайса необходимо учитывать действие всех диссипативных и нестационарных механизмов в уравнении переноса полной энтальпии: вязких сил, теплопроводности и части работы внешних поверхностных сил, связанной с осцилляциями давления в точках пространства. Эффект Эккерта-Вайса связан главным образом с неоднородностями в полях температуры и плотности, создаваемыми развитием рециркуляционных зон вблизи поверхности тела; а уменьшение полной энтальпии в области образования вихрей и в вихревой дорожке в основном обусловлено осцилляциями линий тока. В осредненном по времени потоке за цилиндром можно выделить три характерные области, в которых происходит понижение полной энтальпии. 6. Параметрические расчеты структуры следа за цилиндром, осциллирующем в направлении, перпендикулярном потоку, а также структуры течений, образованных дорожками точечных вихрей, показали, что минимальные значения полной энтальпии в осредненном по времени поле наблюдаются вблизи центральной линии следа. Изменением частоты и амплитуды колебаний цилиндра, а также геометрических параметров вихревых дорожек можно существенно изменить распределение полной энтальпии в области следа. Показано, что появление пар вихрей с противоположным направлением вращения (в частности, пары - «положительный» вихрь над «отрицательным») приводит к появлению областей с повышенными значениями полной энтальпии. Приближенная модель точечных вихрей удовлетворительно описывает распределение полной энтальпии в потоке, за исключением окрестностей центров вихрей. Как следует из результатов расчетов, эффективность энергоразделения можно заметно повысить созданием параллельно расположенных кармановских вихревых дорожек, которые могут формироваться, например, за парой цилиндров. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".