THE MIXING OF A JET OF CARBON DIOXIDE FROM SMASHING SUBSONIC FLOW

Full Text

Исследование свойств газовых струй, вводимых в сносящий поток, вызывает затруднения в связи с нестационарностью пограничного слоя струи. Однако, так как поперечный вдув используется в ряде технических устройств: камерах сгорания газотурбинных двигателей, газовых горелках струйного типа, вентиляционных воздушных завесах и т.д., подобные исследования представляют практический интерес [1-3]. Моделирование струйного течения является достаточно актуальным, особенно в части применения к газовым горелкам струйного типа. Известно, что интенсивность смешения газовой струи со сносящим потоком зависит от степени турбулентности, формы и угла струи, а также от отношения скоростных напоров струи и сносящего потока. Истечение струи углекислого газа из круглого отверстия рассматривал Y.Kamotani [4] и другие исследователи [5]. Экспериментальные исследования Н.М. Рогачева [5] проводились при относительном соотношении скоростей воздушного потока и струи круглого и овального профиля углекислого газа в пределах от 0,5 до 2. Гидравлический параметр задавался в диапазоне 0,38. Результаты исследования свидетельствуют об увеличении дальности струи газа в сносящем потоке воздуха при возрастании ее относительной скорости, а также о влиянии турбулизирующих решеток на характер распространения и форму вдуваемых струй. Также Н.М. Рогачев показал, что возрастание относительной скорости струи от 0,5 до 2,0 м/с приводит к увеличению ее ширины. С увеличением интенсивности турбулентности сносящего потока на входе вдуваемая струя размывается, но при этом данный процесс не приводит к изменению границ зоны смешения. Численные исследования течения проводились Ю.П. Коробковой и В.О. Москаленко [1] при различных углах наклона вдува из круглого отверстия струи в дозвуковом потоке воздуха над пластиной. Исследование проводилось при значениях гидродинамического параметра и углах вдува струи ωe - 65,90,1350 с использованием k-epsilon модели турбулентности. Исследования свидетельствуют о том, что угол наклона вдува струи оказывает существенное влияние на перераспределение скорости и давления в областях за струей и перед ней. Была выявлена обратная зависимость высоты траектории струи и угла ее вдува. В данной работе проводилось численное моделирование течения при разных геометрических формах отверстия вдува струи под углом 90° к пластине, обтекаемой дозвуковым потоком. Были построены графики распределения температуры в струях. Для верификации разрабатываемой численной модели было заимствовано экспериментальное исследование пространственного течения при струйном взаимодействии в дозвуковом потоке несжимаемого газа Y. Kamotani [4], но с отличием геометрических форм отверстия вдуваемой струи. Для моделирования стационарного дозвукового течения вдуваемой струи был использован программный продукт САПР Code_Saturne. Это приложение используется для расчета динамики сплошных сред. В результате расчета строились графики полей температур потока в области взаимодействия в плоскости XOY. Численная модель представляет собой совокупность методов и условий решения уравнений Навье- Стокса. Для рассматриваемой задачи система уравнений имеет следующий вид: (1) Система состоит из уравнения неразрывности, уравнения сохранения импульса и уравнения энергии. Все уравнения упрощены из условия несжимаемости рабочей среды [6]. Расчетная область была ограничена объемом аэродинамической трубы и задана в виде параллелепипеда 300х300х250 мм, в основании которого была задана точка ввода струи. Струя подавалась через условное круглое отверстие диаметром 3,25 мм на расстоянии от входного сечения трубы х=50 мм. Вдув поперечной струи в экспериментальном исследовании осуществлялся на приподнятой пластине для исключения влияния пограничного слоя. Диапазон чисел Рейнольдса при исследовании составил Re=2800 - 4200. Была использована ортогональная расчетная сетка с размерами ячейки 3х3х3 мм. Поскольку решаемая задача не учитывает поверхностный теплообмен и влияние пограничного слоя не существенно, измельчение расчетной сетки вблизи стенок не проводилось. Более того, методика проведения экспериментального исследования предполагала отсутствие пристеночного вязкого слоя. Проводилось измельчение расчетной сетки в области вдуваемой струи вдоль оси распространения струи х по линиям измельчения, удаленным от отверстия вдува струи на расстояния, эквивалентные 0,5R; R; 1,5R; 2R, в обе стороны от оси х. В качестве рабочей среды использовался воздух с термодинамическими параметрами, которые были заданы как функция от температуры. Начальная температура в расчетной области составляла 20 °С. Сносящий поток задавался с помощью граничного условия первого рода, скорость потока ν=1,84 м/с, температура потока t=20 °С. В соответствии с условиями проведения эксперимента (наличие приподнятой пластины) начальный участок аэродинамической трубы не моделировался и профиль скорости на входе не задавался. Вдуваемый поток углекислого газа задавался аналогично, скорость потока ν=14,2 м/с, температура потока t=95 °С. На входе было задано равномерное распределение давления. Основание расчетной области было задано в виде гладкой стенки с условием прилипания. Остальные стенки были заданы с условием движения в направлении потока и со скоростью сносящего потока. Это позволило сократить габариты расчетной области в направлении осей z и у. В расчете была использована адаптивная вихревая модель (Classical) в нестационарной постановке. Коэффициент Смагоринского был принят в соответствии с условиями течения в свободном потоке Сs=0,42. Градиенты рассчитывались итерационным методом с учетом неортогональности потоков. Сопряжение скорости и давления проводилось по полунеявному алгоритму SIMPLEC. Релаксация не задавалась. Скорость и температура рассчитывались по алгоритму Jacobi. Градиент давления рассчитывался сеточным методом с степенью укрупнения k=3. Для указанных алгоритмов решения были введены ограничения максимального количества субитераций Ns=10000, предельная точность 10-5.                                                       : . , 3 0, U grad E div q grad T p divU grad U q U E U gradU grad p gradU grad divU q U div U                             Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 144 ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА Для расчета скорости и температуры использовалась схема второго порядка SOLU. Для стабилизации решения уравнения энергии были введены ограничения температуры в расчетной области в диапазоне t=20÷95 °С. При расчете использовался фиксированный временной шаг Δτ=0,001 с, который определялся из условия обеспечения предельного числа Куранта Cr для области вдуваемого потока воздуха. Общее количество итераций (N=2000) было определено на основании оценки скорости стабилизации течения. Периодичность вывода результатов составила 20 шагов. Оценка адекватности разработанной численной модели проводилась на основании результатов расчета с заимствованными экспериментальными данными. Сопоставление осуществлялось по профилям максимальной температуры и скорости вдуваемой струи. Количественная оценка проводилась в соответствии с методикой проведения экспериментального исследования: по максимальной температуре и скорости в поперечном сечении струи. На рис. 1 показаны результаты численного моделирования поперечного вдува нагретой струи в холодный поток воздуха. Расхождение с экспериментальными данными Y. Kamotani [4] составило менее 5 %. Наибольшее расхождение приходится на область диффузии струи. Анализ показал хорошую работоспособность адаптивной вихревой модели Classical, выбранной рабочей сетки и границ расчетной области, которые и были заложены в основание дальнейшего численного моделирования течения при различных геометрических формах условного отверстия вдува поперечной струи. Численные результаты, получаемые в данной постановке, сравнивались с экспериментальными данными [4]. На рис. 1 приведено распределение по оси симметрии относительных перепадов температуры по струе, распространяющейся за отверстием вдува (сплошная кривая - расчет; точками нанесены экспериментальные данные). Полученная верификация показала хорошую сходимость результатов. В проведенном моделировании вдув струи производился не в круглое, а в щелевое отверстие с соотношением сторон 1:2; 1:3 и 1:4. Было принято решение исследовать щелевидное отверстие, так как подобные отверстия используются во многих конструкциях газовых горелок. Были получены распределения температуры для четырех рассматриваемых вариантов. На рис. 2 представлены графики распределения температуры для щелевого отверстия. Выводы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что геометрические параметры отверстия вдува струи несущественно влияют на распределение температуры в области за струей. Показано, что данная методика численного расчета характеристик струйного взаимодействия позволяет производить исследования для широкого круга изменяющихся геометрических параметров отверстия вдува струи на основе k -  модели турбулентности. Результаты моделирования показали хорошую сходимость с экспериментальными данными [4]. Отличия от работ исследователей [1, 4, 5, 7] заключались в рассмотрении взаимодействия струи газа, вдуваемой не только из круглого, но и из щелевидного профиля в сносящий воздушный поток. В дальнейшем в модель будут внесены изменения, касающиеся изменения угла наклона струи относительно пластины для изучения глубины проникновения вдуваемой струи газа в сносящий поток. Результаты данных исследований могут быть использованы при проекти- Рис. 1. График распределения температуры в плоскости ХOZ при истечении струи из круглого отверстия О.А. Баландина 145 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 ровании струйных органов газовых горелок котельных агрегатов для усовершенствования процессов образования газовоздушной смеси в них.

About the authors

Olga A. BALANDINA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files