Учебный пакет программ “sFlow” для компьютерного моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена, страница 13

Результаты, полученные без учёта радиационного теплообмена.

Рис.3 Поле скоростей (без радиации).

Рис.4 Изолинии температуры (без радиации).

График Y компоненты скорости в сечении у=0.5 м (без радиации).

Из представленного графика видно хорошее совпадение расчета полученного при помощи σFlow с решением, полученным на  FLUENT.

Результаты, полученные с учётом радиационного теплообмена.

В данном случае при расчете использовалась модель P-1 радиационного теплообмена.

Было произведено два варианта расчета с разным коэффициентом поглощения среды 0.2 и 5. Результаты расчета представлены

На рисунках 6-9. 

Рис.6 Поле скоростей (коэффициент поглощения 0.2).

Рис.7 Изолинии температуры (коэффициент поглощения 0.2).

График V компоненты скорости в сечении у=0.5 м (коэффициент поглощения 0.2).

Из графика видно хорошее совпадение с радиационной моделью Р-1 заложенной в пакете FLUENT. 

Рис.8 Поле скоростей (коэффициент поглощения 5).

Рис.9 Изолинии температуры (коэффициент поглощения 5).

График V компоненты скорости в сечении у=0.5 м

(коэффициент поглощения 5).

6.8. Турбулентная свободная конвекция в вытянутой каверне

Геометрия задачи представлена на рисунке 1. Размеры каверны: W=0.076 м, H=2.18 м, D=0.52 м.

Рисунок 1. Геометрия каверны.

Каверна заполнена воздухом, расчеты проводились при двух числах Релеяи  .

Граничные условия: верхняя и нижняя стенки адиабатические, температура боковых стенок при числе Релея  равна 15˚С  и 34.6˚С, температура боковых стенок при числе Релея  равна 15˚С  и 54.9˚С.

Сила тяжести направлена против оси Y.

Расчет производился на сетке 100×100×3.

Максимальное значение y+ равно 22 при и 26 при .

Изолинии температуры, .  (Масштаб 0.25×H, 2×W)

Изолинии температуры, .  (Масштаб 0.25×H, 2×W)

Линии тока, .(Масштаб 0.25×H, 2×W)

Линии тока, .(Масштаб 0.25×H, 2×W)

График V компоненты скорости при Y/H=0.1.

График V компоненты скорости при Y/H=0.5.

График V компоненты скорости при Y/H=0.9.

График температуры при Y/H=0.1.

График температуры при Y/H=0.5.

График температуры при Y/H=0.9.

График температуры при Y/H=0.1.

График температуры при Y/H=0.5.

График температуры при Y/H=0.9.

График V компоненты скорости при Y/H=0.1.

График V компоненты скорости при Y/H=0.5.

График V компоненты скорости при Y/H=0.9.

6.9. Турбулентный теплообмен в расширяющемся канале

 Введение

С помощью пакета SigmaFlow было проведено моделирование процесса турбулентного теплообмена в расширяющейся трубе. Цель данной работы тестирование различных моделей турбулентности и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными Baughn et al. [1]

Описание задачи

Канал представляет собой круглую трубу длиной 41 м (рис 1). Радиус входного сечения  0,665 м, радиус выходного сечения 1,665 м. Степень расширения 0,4. Длина узкого участка трубы 1 м, длина широкого участка 40 м.

Рис1. Геометрия задачи.

 Физические параметры

Теплофизические свойства среды представлены в таблице.

Молекулярная вязкость	0,0001 Па×сек
Коэффициент теплопроводности	0,0001 Вт/(м×К)
Теплоёмкость	0,7 Дж/(кг×К)
Плотность	1,0 кг/м3
Число Прантдля	0,7
Число Рейнольдса	40680 (40750)
Массовый расход	10,64 кг/с
Среднемассовая скорость	7,659 м/с

Число Рейнольдса определялось по диаметру широкого участка:

 Граничные условия

Стенки узкой части канала считались адиабатическими, на стенках широкой части канала задавался тепловой поток 0,3 Вт/м². Температура среды на входе в канал 273 К. На входе в канал задавался ударный профиль с уровнем турбулентности 1 % и масштабом турбулентности 0,16 м.

 Сетка

Расчеты производились на трех сетках:

Grid 1: осесимметричный сектор 131´31´3 со сгущением к центральной оси и стенкам, y+ составлял в области рециркуляции 20¸200, вблизи выходного сечения ~60. Скорость счета - 0.095 сек/итерация.

Grid 2: трехмерная грубая сетка 82´25´25, y+ составлял в области рециркуляции 150¸850, вблизи выходного сечения ~150. Скорость счета - 1-0.6 сек/итерация.

Grid 3: укороченный вариант сетки 1 с длинной 20 м, осесимметричный сектор 71´31´3, y+ составлял в области рециркуляции 20¸200. Скорость счета - 0.05 сек/итерация.

Рис. 2. Сетка 1.

 Рис. 3. Сетка 2.

Рис. 4. Графики сходимости: пунктирная линия – сетка 1, сплошная линия – сетка 2.

 Результаты

На рисунках 9-10 представлены распределения гидродинамических характеристик потока. В области за уступом формируется рециркуляционное течение. Протяжённость этой области в зависимости от параметров расчета колебалась от 8 до 11 м от уступа, что соответствует большинству экспериментальных данных. Количественной характеристикой, которая вычислялась в результате расчета, было локальное число Нуссельта на стенке. Число Нуссельта вычислялось при помощи температуры ядра потока

и коэффициента теплоотдачи на стенке:

На графиках 5 и 6 представлено отношение локального числа Нуссельта на стенке Nu(x) к интегральному числу Нуссельта NuDB, посчитанному по критериальному соотношению для турбулентного режима течения в круглой трубе:

.

Из графиков видно (рис. 5-6), что при удалении от уступа локальное число Нуссельта асимптотически стремится к интегральному. Максимум числа Нуссельта приблизительно совпадает с положением точки присоединения и удален от уступа на 8-10 м.

Расчеты производились при помощи трех моделей турбулентности: стандартная k-e модель, Chen k-e модель, модель M-SST. При проведении расчетов для уравнений переноса турбулентных характеристик использовалась TVD схем второго порядка точности, для уравнения переноса импульса – схема QUICK. Влияние порядка аппроксимации на результаты моделирования не исследовалось.