XVI Международная школа-семинар по
численным методам механики вязкой жидкости.
О КОМБИНИРОВАННОМ ПОДХОДЕ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ
ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.
Дектерев А.А., Елгин Б.А., Васильев В.В.
Разработка конструкций эффективных теплообменных аппаратов и определение способов их рациональной эксплуатации до настоящего времени базировались на использовании методов физического моделирования течения и теплообмена вблизи элементов, составляющих теплообменные аппараты. Основное назначение моделирования заключалось в получении информации о коэффициенте гидравлических потерь и коэффициенте теплообмена между стенкой теплообменника (элемента) и омывающим его теплоносителем.
В последние годы для исследования теплообменных аппаратов все более широкое применение находят методы математического моделирования, позволяющие рассчитывать течение и теплообмен в аппаратах имеющих сложную структуру элементов. В рекуперативных теплообменниках обтекание пакетов труб потоком газов характеризуется как сильной неравномерностью распределения скорости, давления, температуры и характеристик турбулентности, так и весьма сложной геометрией потока. Поэтому при расчете таких течений большое распространение получили упрощенные подходы, связанные с осреднением уравнений движения и дальнейшим рассмотрением течения в виде сплошного потока [1]. При этом для описания влияния сопротивления пакета труб используется модель анизотропного пористого тела, а теплообмен между средами задается исходя из эмпирических оценок. Корректное задание закона теплообмена не всегда возможно из-за сложной организации движения среды в трубах. Для расчета задач такого типа авторами предлагается использовать комбинированный подход основанный на использовании для моделирования осредненного потока в межтрубном пространстве модели анизотропного пористого тела, а для течения среды в трубах - сетевой метод. Обмен массой и импульсом между средами не происходит и поэтому уравнения движения сред можно рассматривать как независимые. Однако уравнения энергии для сред являются взаимосвязанными и поэтому в них входят члены, описывающие энергообмен между средами.
Для моделирования теплообменных устройств разработан пакет программ, использующий программу для моделирования аэродинамики и теплообмена “AeroChem” [3], и программу для решения сетевых задач разработанную авторами [4]. Взаимосвязь задач численного и сетевого моделирования осуществляется через обмен источниковыми членами с использованием глобального внешнего итерационного процесса. Реализация подхода аналогична способу, используемому для описания взаимодействия газовой фазы моделируемой в эйлеровом приближении и дисперсной фазы, рассчитываемой по Лагранжу [3].В работе представлены результаты тестовых расчетов для ряда стандартных схем теплообменников. Проведены расчетные исследования и сравнение с экспериментом для модели секции воздухоохладителя компрессорной установки. Изучены характер влияния температуры и расхода воздуха на входе в модель, а так же температуры воды и степени загрязнения поверхностей теплообмена на характеристики ее работы. Разработана модель теплообменных процессов для конвективной шахты водогрейного котла.