Разработана численная прямоугольного канала с конфузорной секцией и проведена ее верификация для последующих исследований.
Ключевые слова: теплообмен, турбулентный поток, конфузор.
Введение.
В статье рассматривается верификация эксперимента [1] с помощью вычислительных ресурсов Onshape [2], Simscale [3], Salome [3]. Рабочей областью является прямоугольный канал с конфузором, стенки которого нагреты до температуры комнатного воздуха, рабочим телом является воздух, проходящий через канал и охлаждающий стенки канала. Для верификации потребуется:
1) Разработать геометрию расчетной области;
2) Задать параметры эксперимента в вычислительном ресурсе [2]
3) Обработать результаты в вычислительном ресурсе [3]
Постановка задачи.
Расчетная область состоит из плоского рабочего канала длиной 1,2м. В средней части канала имеется конфузорная секция длиной 375 мм. На входе параметры сечения 150х100 мм., на выходе 100х40 мм.
Рис. 1 Экспериментальная установка с конфузором.(1.Вход; 2. Теплообменная стенка; 3.Конфузорный участок; 4) Пульсатор; 5. Термометр) [1]
Создав геометрию расчетной области в Onshape [2], на ней моделировался эксперимент [1] в интернет ресурсе Simscale [3].
Исходя из условий задачи были определены начальные условия:
осевая объемная скорость — U0 = м/с;
Исходя из условий задачи были определены следующие граничные условия:
* Вход 1 (Inlet)
o U0 = 3,2 м/с по нормали
* Выход (Outlet)
* Симметрия (Symmetry)
* Стенка (Wall)
o шероховатость — нет
o тепловой поток — 470 Вт/м2
Рис. 2 Геометрия расчетной области
Для стабилизации решения был активирован алгоритм учета градиентов и дивергенции при решении уравнения сохранения импульса. Т. к. задача решается в стационарной постановке и возможно возникновение незначительных перепадов давления, была использована релаксация (R = 0.3). Для ускорения решения были введены пороговые значения точности (10–5) и количества субитераций (1000) при решении линейных уравнений. При решении был задан фиксированный временной шаг 1 сек..
Результаты.
По результатам моделирования обработав данные по параметрам потока был вычислен коэффициент теплоотдачи по формуле:
𝛼=𝑄/ΔT (1)
𝑄-тепловой поток
ΔT-разность температур между центром потока и стенкой.
Рис. 3. Распределение коэффициента теплоотдачи по длине конфузора (1 — экспериментальные данные, 2 — результаты моделирования).
Верификация прошла успешно. Графики эксперимента и численного моделирования похожи друг на друга. Погрешность обусловлена тем, что температура нагрева стенок перед началом подачи воздуха в расчетный участок неизвестна.
Литература:
- И. А. Давлетшин, О. А. Душина, Н. И. Михеев, А. А. Паерелий Теплоотдача пульсирующих течений в каналах с градиентом давления// Казанский научный центр РАН, Казань, Россия 2017
- Onshape. Home page. URL: https://www.onshape.com/
- SimScale. Home page. URL: https://www.simscale.com
