Газодинамическая температурная стратификация в трубе Леонтьева: аналитическое исследование и численное моделирование

Цель. Статья посвящена исследованию процессов теплопередачи в трубе Леонтьева, основанной на принципе газодинамической температурной стратификации. Цель работы заключается в описании механизма взаимодействия дозвуковых и сверхзвуковых потоков и выявлении ключевых параметров, влияющих на эффективность стратификации.

Метод. Исследование выполнено с использованием аналитического подхода и численного моделирования в среде ANSYS Fluent. В рамках численного анализа были визуализированы температурные и скоростные поля, а также проанализирована плотность теплового потока. Применена модель турбулентности 𝑘 −𝜔 SST, позволяющая учитывать сложные особенности течения газа в трубе.

Результат. Получены основные закономерности теплопередачи, включая влияние разности температур и давления между дозвуковыми и сверхзвуковыми потоками, а также роль турбулентной энергии в усилении теплообмена. Установлено, что на выходе из сверхзвукового канала газ нагревается по сравнению с входными условиями, а из дозвукового канала выходит охлаждённый поток.

Вывод. Полученные результаты могут быть использованы для повышения эффективности теплообмена в промышленных системах и проектирования устройств для рекуперации тепла.

1. Леонтьев А.И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков // ТВТ. 1997. Т. 35. № 1. С. 157

2. Цветова Е.В. Моделирование и исследование процесса газодинамической температурной стратификации для повышения эффективности редуцирования природного газа/Е.В. Цветова, В.Н. Ковальногов, Ю.А. Хахалев//Информатика, вычислительная техника и управление – 2021. – № 2. – С. 54-58.

3. Цынаева А.Л., Цынаева Е.А., Школин Е.В. Исследование методов интенсификации теплообмена в трубе температурной стратификации // Изв. вузов. Авиационная техника. 2013. № 4. С. 44 46.

4. Ковальногов Н.Н., Фокеева Е.В. Повышение эффективности газодинамической температурной стратификации за счет использования дисперсного рабочего тела // Материалы V Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта». Ульяновск, 2009. С. 64 – 67.

5. Температурная стратификация в сверхзвуковом дисперсном потоке / Н.Н. Ковальногов, Л.М. Магазинник, Е.В. Фокеева, М.А. Кузьмина // Труды XVII Школы-семинара молодых специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МЭИ. 2009. Т.2. С. 213 – 216.

6. Карпухина Т.В., Ковальногов В.Н., Цветова Е.В. Повышение эффективности температурной стратификации отработанного сушильного агента//Вестник научных исследований. 2019. Т. 2, № 3. С. 50-57.

7. Тарасевич С.Э., Филин В.4., Щукин В.К. Теплоотдача дисперсного потока на непроницаемой и проицаемой стенках плоского асимметричного сопла//Изв. вузов. Авиационная техника. 2001.№1.С.47-50.

8. Хазов Д.Э. Моделирование течения в плоском канале при наличии тренировок и теплооб-мена // Труды XV Школы-семинары молодых ученых и специалистов под руково-дством академика РАН А.И. Леонтьева. В 2-х томах. Т. 1. Калуга. 23-27 мая 2005 г. М.: Изд-во МЭИ. 2005. С. 121-124

9. Цынаева А.Л., Цынаева Е.А., Школин Е.В. Исследование методов интенсификации теплообмена в трубе температурной стратификации // Изв. вузов. Авиационная техника. 2013. Nº 4. С. 44 46.

10. Олимпиев В.В. Поверхности теплообмена с интенсифицированной теплоотдачей и пониженным сопротивлением // Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. № 3. С. 35-38.

11. Попович С.С., Виноградов Ю.4., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование возможности интенсификации теплообмена в устройстве безмашинного энергоразделения потоков // Вестник СГАУ. 2015. Т. 14. №2. С. 159-169.

12. Тарасевич С.Э., Филин В.4., Щукин В.К. Теплоотдача дисперсного потока на непроницаемой и проницаемой стенках плоского асиметричного сопла//Изв. вузов. Авиационная техника. 2001. №1.С. 47-50.

13. Gifford W.E., Longsworth Pulse-tube Refrigeration // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1964. ol. 86. Iss. 3. P. 264-268.

14. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М.: Энергия, 1977. 464 с

15. Hall I.M., Berry On the Heating effect n a Resonance tube//Journal of the Aerospace Sciences. 1959.26. 253.

16. Цынаева А.А. Моделирование системы комбинированного охлаждення лопаток турбомашин с вихревым энергоразделителем: Автореф, дис. .. канд, техн. наук. Ульяновск: УлГТУ, 2004. 19 с.

17. Ковальногов Н.Н. Выбор оптимальных параметров процесса газодинамической температурной стратификации в сверхзвуковом газовом потоке // Изв, вузов. Авиационная техника. 2010.- №3.-С. 28-31.

18. Leont’ev A. I. Temperature stratification of supersonic gas flow // Doklady Physics. 1997;42(6):309–311.

19. Цынаева А.А., Цынаева Е.А., Школин Е.В. Об использовании тепловых труб для повышения эффективности газодинамической температурной стратификации // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. — 2013. — № 3 (41). — Часть 2. — С. 192-197.

20. Попович С.С., Виноградов Ю.4., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование возможности интенсификации теплообмена в устройстве безмашинного энергоразделения потоков // Вестник СГАУ. 2015. Т. 14. № 2. С. 159-169.

21. Бурцев С.А. Исследование путей повышения эффективности газодинамического энергоразделения // Теплофизика высоких температур — 2014 — Т.52, №1. — С. 14–21.