ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ.........................................................2
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ...................................4
ВВЕДЕНИЕ...........................................................6
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ИЗУЧЕНИЮ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА И ГАЗОДИНАМИКИ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ИНФРАКРАСНЫХ НАГРЕВАТЕЛЯХ............................11
1.1. Анализ конструктивных особенностей инфракрасных нагревателей 11
1.2. Обзор существующих методик расчета параметров и характеристик систем лучистого отопления.....................................17
1.3. Исследование возможности применения известных моделей турбулентности для расчета процессов, протекающих в трубах-излучателях инфракрасных нагревателей........................................20 ’
1.4. Рассмотрение различны* подходов к математическому'' описанию процессов горения :............................................27
1.5. Изучение методов решения задач гидродинамики............... 33
Основные выводы по главе.........................................39
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В \У-ОБРАЗНОМ ИНФРАКРАСНОМ НАГРЕВАТЕЛЕ С НЕКРУГЛОЙ ТРУБОЙ...................................................40
2.1. Математическая модель расчета стационарных турбулентных течений в
трубах-излучателях инфракрасного нагревателя.....................40
2.2 Моделирование процессов-теплообмена между элементами конструкции
инфракрасного нагревателя.......................................51
2.3. Сопряженная задача-теплообмена в инфракрасном нагревателе...53
Основные выводы по главе.........................................58
3. МЕТОДИКА- РАСЧЕТА СОПРЯЖЕННОЙ- ЗАДАЧИ ТЕПЛООБМЕНА В ИНФРАКРАСНОМ НАГРЕВАТЕЛЕ...........................................59
3.1. Обоснование методики расчета задачи сопряженной теплообмена в инфракрасном нагревателе..........................................59
3.2. Алгоритм расчета процессов в инфракрасном нагревателе.........63
3.3. Численная реализация математической модели....................66
3.3.1. Описание численного метода решения системы дифференциальных уравнений, описывающей гидродинамические процессы в инфракрасном нагревателе....................................................66
3.3.2. Построение конечно-разностных уравнений, аппроксимируютцих систему дифференциальных уравнений, описывающую процессы в горелочном устройстве инфракрасного нагревателя................68
3.3.3. Построение конечно-разностных уравнений, аппроксимирующих систему дифференциальных уравнений, описывающую процессы в излучателе инфракрасного нагревателя...........................72
3.4. Решение систем линейных алгебраических уравнений..............76
3.5. Алгоритм решения системы теплового баланса....................79
3.6. Метод расчета угловых коэффициентов излучения.................82
Основные выводы по главе...........................................84
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ4 СОПРЯЖЕННОЙ ЗАДАЧИ:'ТЕПЛООБМЕНА В ИНФРАКРАСНОМ-НАГРЕВАТЕЛЕ.......................85
4.1. Исследование сходимости и адекватности численного метода решения. 85:
4.2. Результаты расчетов и параметрических исследований процессов, протекающих в горелочном устройстве инфракрасного нагревателя.....93
4.3. Определение числа разбиений для. реализации сопряженной задачи теплообмена.......................................................98
4.4. Результаты расчетов для инфракрасного нагревателя с некруглой трубой .’ 101
4.5. Параметрические исследования влияния конструкции инфракрасного нагревателя на равномерность прогрева рабочей зоны под нагревателем и
распределение температур на стенках труб-излучателей и отражателя 109*
Основные выводы-по главе..........................................114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
119
4
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Т - температура; р - давление;
р - плотность;
\'т, V, - молекулярная и турбулентная кинематическая вязкость;
\ат, р, - молекулярная и турбулентная динамическая вязкость;
А, - теплопроводность;
/ — сохраняющееся свойство;
V - вектор скорости; х, г,ф — цилиндрическая система координат;
и9 V, - проекции вектора скорости на координатные оси (х, г, <р); ср, Су - коэффициенты удельной теплоемкости при постоянном давлении и объеме;
- удельная газовая постоянная;
Л/ - число Маха;
Яе, Ре - числа Рейнольдса, Пекле;
N11,811 - числа Нуссельта, Шмидта;
С^ - концентрация горючего;
Су - концентрация окислителя; сі - диаметр;
Ь - характерный размер; т у - тензор напряжений;
- динамическая скорость;
6« - символ Кронекера.
Подстрочные индексы
О - начальный параметр;
5
V - параметр при подаче окислителя;
£ - параметр при подаче горючего;
st - параметр, относящийся к поверхности;
т - молекулярный параметр;
/ - турбулентный параметр.
Сокращения
СЛАУ — система линейных алгебраических уравнений; ПХРС - простая химически реагирующая система; КПД - коэффициент полезного действия.
Нумерация формул, рисунков и таблиц сквозная внутри каждой главы. В соответствии с этим для ссылки на формулу, рисунок или таблицу из другой главы дополнительно указывается номер этой главы. Список литературы составлен в соответствии с порядком цитирования первоисточников в тексте.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Исследования в области энергосбережения относятся к приоритетным направлениям развития современной науки. Системы лучистого отопления обладают рядом преимуществ по сравнению с конвективными: 1) для обеспечения необходимой температуры в рабочей зоне не нужно отапливать всё помещение, а достаточно применять местный обогрев; 2) выход на требуемый режим работы осуществляется в течение нескольких минут; 3) возможность индивидуального монтажа системы отопления для каждого помещения; 4) высокий, свыше 90%, КПД. Всё это позволяет относить газовые нагреватели к классу энергосберегающих систем.
Газовые нагреватели являются сложными техническими устройствами. При моделировании газодинамических процессов в технических объектах часто приходится1 сталкиваться с такими трудностями как сложная* геометрия изучаемого^ объекта, требующая-построения криволинейной сетки для области расчета, необходимость совместного учета различных процессов, сложность задания начальных или граничных условий, которые приводят к усложнению математической модели, описывающей, тот или иной процесс. Чем сложнее и объемнее построенная математическая модель, тем труднее она в реализации. По этой причине становится весьма актуальной задача разработки методики, позволяющей рассчитывать,подобные модели.
Методика численного расчета, предлагаемая в данной работе, не претендует на' общность,, но позволяет учесть взаимное влияние газодинамических процессов, и процессов, теплообмена, протекающих в модернизированном инфракрасном-нагревателе.
Среди работ, посвященных изучению гидродинамики можно выделить работы, таких ученых, как Лойцянский Л.Г. [1], Шлихтинг Г. [2]. Разработке моделей описания процесса турбулентности посвящены работы Колмогорова А.Н. [3, 4], Кутателадзе С.С. [5], Липанова А.М. [6, 7], Булгакова В.К. [8],
7
Рейнольдса А.Дж. [9], Секундова А.Н. [10]. Моделирование процессов горения рассматривается в работах Алемасова В.Е. [11], Зельдовича Я.Б. [12, 13], Сполдинга Д.Б. [14]. Исследование возможности применения разностных методов применительно к решению задач механики сплошных сред проводится в работах Андерсона Д. [15], Белоцерковского О.М. [16-18], Орана Э. [19], Патанкара С. [20], Роуча П. [21], Флетчера К. [22].
Объектом исследования являются газодинамические и тепловые процессы в газовых нагревателях.
Предметом исследования являются математические модели процессов гидродинамики, горения и теплообмена, протекающие в газовых нагревательных устройствах.
Целью диссертационной работы является разработка математических моделей, алгоритмов- и вычислительных методов расчета сопряженных газодинамических и тепловых процессов в инфракрасном нагревателе.
I
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- построение математических моделей, описывающих трехмерное стационарное турбулентное течение в газодинамическом- тракте1* инфракрасного нагревателя с учётом процессов горения * и лучистого излучения;
- разработка методики численного решения задачи сопряженного теплообмена между трубой-излучателем и отражателем;
- численное исследование влияния особенностей конструкции нагревателя на распределение температур и тепловых потоков внутри нагревателя и в обогреваемой - зоне, позволяющее сделать рекомендации по улучшению конструкции инфракрасного нагревателя.
Теоретические и методологические основы исследования. В1 работе использованы дифференциальные уравнения,.отражающие основные законы механики жидкости и газа, численные методы интегрирования, уравнений гидродинамики, решения линейных и нелинейных систем уравнений.
8
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена проведенными исследованиями сходимости численных методов, проверкой разработанных методик на решении тестовых задач и сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными и результатами, полученными другими авторами.
На защиту выносятся:
- математическая модель стационарных турбулентных течений в трубах-излучателях инфракрасного нагревателя, учитывающая процессы горения, лучистый и конвективный теплообмен между элементами конструкции, основанная на уравнениях гидромеханики, записанных в пространственной системе координат;
- методика численного расчета задачи сопряженного теплообмена между элементами конструкции инфракрасного нагревателя;
результаты численных параметрических исследований пространственных турбулентных течений в трубах-излучателях инфракрасного нагревателя, позволяющие установить зависимость параметров, рабочей зоны от конструктивных особенностей газового прибора.
Научная новизна работы: на основе стационарных уравнений гидромеханики и теплообмена построена трехмерная математическая модель процессов в инфракрасных нагревателях;
- разработаны, методики численного' расчета, учитывающие особенности совместного протекания физических процессов* в. инфракрасных нагревателях и позволяющие получить количественные* оценки тепловых характеристик газовых нагревательных устройств;
- получены зависимости тепловых параметров- обогреваемой- зоны от конструктивных особенностей инфракрасных нагревателей.
Практическая значимость и реализация результатов исследования.
Разработанные математические модели и методики, реализованные в
программном комплексе, могут быть использованы при проведении проектирования различных конфигураций инфракрасного нагревателя.
Научная апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: научной конференции — семинаре «Теория управления и математическое моделирование» (Ижевск, 31 января - 4 февраля 2006), научно-практической конференции Радиозавода (Ижевск, 2006), научно-практической конференции «Научно-промышленная политика и перспективы развития Урала и Сибири» (Екатеринбург, июнь 2007), научной конференции -семинаре «Теория-управления н математическое моделирование» (Ижевск, май 2008). ‘ . ;
Публикации. Результаты работы отражены в 12 научных публикациях [23-34]: 10 статей в научных журналах, в том числе; 4 статьи Ъ' изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций, 3 статьи-опубликованы за'единоличным авторством.. ‘
Структура н объем работы; Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Работа' изложена на* 133 страницах машинописного* текста,, содержит 52 рисунка и, список литературы из. 176 наименований:. 1
Введение содержит обоснование: актуальности, темы, цели и задачи диссертационной' работы, положения, выносимые на защиту, а также определяет практическую значимость и методы выполнения работы..
В первой, главе проводится анализ основных типов тепловых приборов, работающих на принципе безопасного инфракрасного излучения, а также обзор-существующих направлений, в методах решения^ задач гидромеханики и горения применительно к расчету сопряженной задачи теплообмена.
Во второй- главе описывается математическая .модель процессов,, протекающих в инфракрасном нагревателе. Рассматриваются традиционные инфракрасные нагреватели с круглой трубой-излучателем;.-, а также модернизированная конструкция * с трубой ' . некруглого • сечения.
10
Газодинамические процессы моделируются на основе уравнений Навье-Стокса, записанных в осесимметричной, цилиндрической или криволинейной системах координат в зависимости от области протекания процесса (горелочный блок, трубы-излучатели или область стыка).
В третьей главе представлена методика решения сопряженной задачи теплообмена в инфракрасном нагревателе.
В четвертой главе описываются результаты расчетов и параметрических исследований процессов, протекающих в инфракрасном нагревателе. Приведен анализ сходимости и адекватности численного метода решения задач.
В заключении приводятся основные результаты и выводы по диссертационной работе.
Автор искренне благодарен научному руководителю, заслуженному деятелю науки Удмуртской Республики, доктору физико-математических наук, профессору В. А. Тененеву за постоянную помощь, ценные советы и замечания.
11
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ИЗУЧЕНИЮ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА И ГАЗОДИНАМИКИ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ИНФРАКРАСНЫХ НАГРЕВАТЕЛЯХ
1.1. Анализ конструктивных особенностей инфракрасных нагревателей
Инфракрасное отопление, применяемое в мире в течение последних 50 лет для обогрева различных объектов, не является для России чем-то принципиально новым. Первые отечественные образцы этих систем были разработаны и начали использоваться в Ленинграде в 50-60-е гг. XX века. Однако в конце 60-х разработка инфракрасных нагревателей и систем в СССР прекратилась, и страна пошла по пути "глобализации": начали строиться огромные ТЭЦ, котельные и т.д. В конце 50-х - начале 60-х годов системы газового инфракрасного (лучистого) обогрева стали широко применяться в Англии, Франции, ФРГ, Италии и США. С их помощью производился обогрев открытых и полуоткрытых площадок различного назначения, обогрев производственных помещений большой высоты, сушка лакокрасочных покрытий, сушка в пищевой промышленности, отопление животноводческих ферм, обогрев теплиц, обогрев двигателей автомобилей в зимний период и т.д. В 70-х годах газовые инфракрасные излучатели взяли лидерство среди отопительных систем для промышленных объектов-большой высоты в Европе, США и Канаде.
Как показывает практика отдельных предприятий страны, использование инфракрасных нагревателей для обогрева производственных цехов является весьма эффективным и позволяет значительно снизить издержки, производства и составляющую себестоимости продукции в части затрат на энергетическое обеспечение. Технология лучистого- обогрева позволяет получить существенную экономию средств, как при создании системы инфракрасного отопления, так и в процессе ее эксплуатации.
- Київ+380960830922