ГИДРОДИНАМИКА НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ВОЗДУШНОГО ПОТОКА В КАНАЛЕ КОЛЬЦЕВОГО СЕЧЕНИЯ

Abstract

Цель. Определение гидродинамических особенностей неизотермического турбулентного течения воздуха в напорном канале кольцевого сечения с граничными условиями первого рода. Методика. Реализация цели исследования осуществлялась путем численного моделирования в программной среде SOLID WORKS COSMOS FLO. Результаты. Получены зависимости изменения гидравлического коэффициента трения вдоль кольцевого канала, обогреваемого через внутреннюю стенку, графики зависимости локального значения коэффициента Дарси от числа Рейнольдса для разных значений степени неравномерности распределения вязкости в этом сечении. Рассчитаны зависимости для толщины пристенных слоев, касательных напряжений и градиентов скорости у стенок канала. Дан анализ особенностей гидродинамической стабилизации неизотермического турбулентного потока в канале кольцевого сечения. Научная новизна. Доказано, что при турбулентном течении воздушного потока в напорном канале кольцевого сечения при его обогреве через внутреннюю стенку и при граничных условиях первого рода гидравлическое сопротивление вдоль течения возрастает. Объяснение этому эффекту дано путем анализа причин и характера изменения вдоль канала толщин пристенных слоев, касательных напряжений и градиентов скорости. Установлено, что увеличение степени неравномерности распределения вязкости в данном сечении приводит к снижению локального значения коэффициента гидравлических потерь. На основании анализа особенностей гидродинамической стабилизации неизотермического потока в качестве критерия стабилизации предложена величина турбулентной вязкости. Практическая значимость. Выявленные закономерности позволяют повысить точность гидравлических расчетов неизотермического турбулентного течения воздуха в напорных каналах кольцевого сечения.

Мета. Визначення гідродинамічних особливостей неізотермічної турбулентної течії повітря в напірному каналі кільцевого перерізу з граничними умовами першого роду. Методика. Реалізація мети дослідження здійснювалася шляхом числового моделювання в програмному середовищі Solid Works COSMOS FLO. Результати. Отримано залежності зміни гідравлічного коефіцієнта тертя вздовж кільцевого каналу, що обігрівається через внутрішню стінку, графіки залежності локального значення коефіцієнта Дарсі від числа Рейнольдса для різних значень ступеня нерівномірності розподілу в'язкості в цьому перерізі. Розраховані залежності для товщини пристінних шарів, дотичних напружень та градієнтів швидкості біля стінок каналу. Приведений аналіз особливостей гідродинамічної стабілізації неізотермічного турбулентного потоку в каналі кільцевого перерізу. Наукова новизна. Доведено, що при турбулентній течії повітряного потоку в напірному каналі кільцевого перерізу при його обігріві через внутрішню стінку і при граничних умовах першого роду гідравлічний опір вздовж течії зростає. Пояснення цьому ефекту дано шляхом аналізу причин і характеру зміни уздовж каналу товщин пристінних шарів, дотичних напружень та градієнтів швидкості. Встановлено, що збільшення ступеня нерівномірності розподілу в'язкості в даному перетині приводить до зниження локального значення коефіцієнта гідравлічних втрат. На підставі аналізу особливостей гідродинамічної стабілізації неізотермічного потоку в якості критерія стабілізації запропонована величина турбулентної в'язкості. Практична значущість. Виявлені закономірності дозволяють підвищити точність гідравлічних розрахунків неізотермічного турбулентного течії повітря в напірних каналах кільцевого перерізу.

Purpose. Determination of hydrodynamic features of non-isothermal turbulent flow of air in the pressure channel of the annular section with the boundary conditions of the first kind. Methodology. The realization of the research objective was carried out by means of numerical simulation in the SOLID WORKS COSMOS FLO software. Findings. The dependences of changes of the hydraulic coefficient of the friction along the annular channel, heated through the inner wall were obtained as well as graphs of dependences of the local value of Darcy coefficient on the Reynolds number for different values of the degree of uneven distribution of viscosity in the section. The values of the thickness of wall layers, shear stresses and velocity gradients near the channel walls were calculated. The features of hydrodynamic stabilization of non-isothermal turbulent flow in a channel of the annular section were analyzed. Originality. It has been proved that hydraulic resistance along the flow increases under a turbulent flow of the air stream in the annular flow channel of cross section when heating through inner wall under boundary conditions of the first kind. The explanation for this effect is given by the analysis of the causes and nature of changes along the channel thickness of wall layers, shear stresses and velocity gradients. It has been found that the increase of the degree of uneven distribution of viscosity in this section leads to a decrease of the local values of the coefficient of hydraulic losses. The value of turbulent viscosity has been proposed as a criterion on the basis of analyzing the hydrodynamic stabilization peculiarities of non-isothermal flow. Practical value. Non-isothermal turbulent flow in the flow channel of the annular section is typical for pipe-inpipe heat exchangers. The design of these devices involves their hydraulic calculation. Currently, such calculations are carried out ignoring nonuniformity of the temperature field. The revealed regularities allow taking into account the nature of non-isothermal flow, and thereby improve the accuracy of hydraulic calculations.