Численное моделирование процессов в теплообменных аппартах

Перечень обозначений 3
Введение 4
Цели и задачи 6
1. Теоретические сведения. 8
2. Экологическая составляющая 10
3. Теория теплового подобия. 11
3.1 Основы теории подобия. 11
3.2 Теплоотдача при вынужденном течении жидкости в трубах и каналах. 13
3.3 Теплоотдача при ламинарном течении в трубах и каналах. 14
3.4 Теплоотдача при ламинарном течении в трубах и каналах с учетом естественной конвекции. 15
3.5 Теплоотдача при ламинарном течении в трубах и каналах без учета естественной конвекции. 16
3.6 Теплоотдача в трубах и каналах при турбулентном режиме 17
3.7 Коэффициент теплоотдачи 18
4. Теплопередача при изменении агрегатного состояния теплоносителей 19
4.1 Кипение 20
4.2 Конденсация 21
5. Кожухотрубные ТОА 23
6. Моделирование вынужденной конвекции 25
6.1 Описание программного комплекса 25
6.1.1 Постановка задачи 26
6.1.2 Математическое моделирование процесса охлаждения 27
6.1.3 Расчет параметров потока 29
7. Настройка решения в пакете Ansys Fluent 34
7.1.1 Расчетная область и сетка 34
7.2 Настройка решателя и установка граничных условий 36
8. Результаты численного эксперимента 38
Заключение 46
9. Список использованных источников 47

Весь текст будет доступен после покупки

Конвекция - это тип теплопередачи, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками самого вещества. При неравномерном нагревании в поле силы тяжести происходит процесс, так называемой есте-ственной конвекции, который самопроизвольно возникает в веществе. В данном варианте конвекции слой вещества, который находится ниже нагревается, становится легче и поднимается наверх, а верхний слой, наоборот, охлаждается, утяжеляется и опускается, после чего процесс по-вторяется много раз.
Многие атмосферные явления, например, такие как образование об-лаков, вызваны естественной конвекцией, так же, например, конвекция яв-ляется причиной появления гранул на солнце.
Гранулы - это проявления на поверхности звезды, вызванные кон-вективными процессами вследствие нагревания плазмы. Потоки, поднима-ются под действием конвекции, из-за чего происходит формирование ко-лонн конвекции, происходит перемешивание веществ. Гранулы есть ни что иное, как видимые вершины таких отдельных колонн, они образуют зер-нистую структуру, которая называется грануляция.
В случае вынужденной (принудительной) конвекции движение веще-ства осуществляется с помощью воздействия внешних сил (лопастей венти-ляторов, насосных агрегатов и др.). Данный тип конвекции используется в том случае, если естественная конвекция недостаточно эффективна и тре-буются более значительные массо- и теплопереносы веществ.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Теоретические сведения.

Конвективный теплообмен определяет формирование зон теплоты в жидкой или газообразной среде с непропорциональными значениями температуры по поверхности, которое происходит при перемещении макроскопических единиц среды. При естественной конвекции движение вещества возникает по причине разности температур в различных ее частях. При вынужденной конвекции рассматриваемый газ или жидкость приходит в движение при помощи воздействия внешних сил, например, турбины или потока ветра. При вынужденной конвекции распределение температур практически не играет роли. Очевидно, что существуют и промежуточные случаи конвекции - частично свободной и частично вынужденной. При естественной конвекции или вынужденном движении потока вдоль твердой поверхности около стенки в жидкости или газе образуется гидродинамический пограничный слой, где из-за внутреннего трения - вязкости происходит изменение скорости от нулевой (у самой поверхности) до скорости потока. Структура пограничного слоя изменяется по длине обтекаемой поверхности, как это показано на рисунке 1.



Рисунок 1 –Изменение структуры пограничного слоя [1]

На начальном участке образуется ламинарный слой с увеличивающейся толщиной ?_Л. Воздействие нормальных к поверхности пульсаций скорости, вызванное трением, приводит к разрушению ламинарного пограничного слоя и образованию турбулентного пограничного слоя толщиной, в котором все же сохраняется тонкий ламинарный подслой. Наряду с гидродинамическим пограничным слоем в потоке существует тепловой пограничный слой, в котором температура изменяется от температуры стенки до температуры основного ядра потока. В общем случае толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев различны, но взаимосвязь между ними наблюдается.
Передача теплоты конвекцией осуществляется перемещением в пространстве неравномерно нагретых объемов жидкости или газов. Обычно при инженерных расчетах определяется конвективный теплообмен между жидкостью и твердой стенкой, называемый теплоотдачей. Для расчета процесса теплоотдачи используется формула Ньютона-Рихмана:
q=?(Т_п-Т_c ),
где q - плотность теплового потока; ? - коэффициент теплоотдачи; Тп- температура потока; Тc– температура стенки.
Численное значение коэффициента теплоотдачи зависит от многих факторов: скорости движения потока, температуры стенки и потока, вязкости, плотности, теплоемкости и других параметров жидкости или газа.
Когда встречается задача с многозначными, сложными функциональными связями, используется два пути её решения: аналитический с использованием физико-математического аппарата и экспериментальный.
В первом случае на основе знания физики процесса составляются дифференциальные уравнения, описывающие и учитывающие особенности явлений и эффектов, влияющих на развитие процесса, затем принимаются условия однозначности - геометрические, начальные, граничные, и система уравнений решается с определением конкретных значений искомых параметров. Второй путь связан с проведением экспериментов, обработкой результатов и определением искомых значений или взаимосвязей между параметрами.

Весь текст будет доступен после покупки

1. [Электронный ресурс] URL: http://thermalinfo.ru/eto-interesno/ kriterialnye -uravneniya-teploobmena-raschet-teplootdachi-v-trubah-i-kanalah (Дата обращения 10.04.2021)
2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.; Высшая школа, 1969
3. [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ANSYS (Да-та обращения 15.12.2021)
4. [Электронный ресурс] URL: http://thermalinfo.ru/svojstva-gazov/gazovye-smesi/fizicheskie-svojstva-vozduha-plotnost-vyazkost-teploemkost-entropiya (Дата обращения 05.01.2022)
5. [Электронный ресурс] URL: http://thermalinfo.ru/svojstva-gazov/gazovye-smesi/teploprovodnost-vozduha-v-zavisimosti-ot-temperatury-i-davleniya(Дата обращения 06.01.2022)
6. Банных О.П. Основные конструкции и тепловой расчет теплообмен-ников, Санкт-Петербург 2012, 44с.
7. К.Н. Волков, В.Н. Емельянов, Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. Санкт-Петербург 2005. Учебное по-собие, 91с.
8. [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/usloviya-razvitiya-i-nekotorye-osobennosti-struktury-ochagov-intensivnoy-konvektsii (Дата обращения 23.05.2022)

Весь текст будет доступен после покупки