Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Обзор литературы
1.1. Область применения вихревых труб 6
1.2. Гипотезы, объясняющие эффект Ранка-Хилша 9
1.3. Вихревые трубы. Виды вихревых труб 13
2. Моделирование эффекта Ранка-Хилша в двумерном приближении
2.1. Физическая постановка задачи 15
2.2. Математическая постановка задачи 16
2.3. Метод решения 18
2.4. Результаты численного моделирования 19
3. Трехмерное моделирование эффекта Ранка-Хилша
3.1. Физическая постановка задачи 23
3.2. Математическая постановка задачи 25
3.3. Метод решения 27
3.4. Результаты численного моделирования 28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 42
В настоящее время использование вихревого эффекта для преобразования тепловой энергии становится актуальным. Эффект Ранка-Хилша или вихревой эффект впервые был обнаружен в конце 20-х годов французским инженером Жозефом Ранком при измерении температуры в промышленном циклоне, исследованиями вихревого аппарата занимался Роберт Хилш. Данный эффект характеризуется разделением в процессе закрутки жидкости или газа в цилиндрической или конической камере на две части. В центральном закрученном потоке наблюдается снижение температуры, тогда как на периферии повышение температуры. Актуальность исследования данного эффекта заключается в том, что вихревая труба Ранка-Хилша, при сравнительно технической простоте изготовления, позволяет достичь большой степени температурного разделения потока. Также, рассматриваемое устройство является экономным, безопасным, компактным и надёжным в промышленной эксплуатации.[1]. Двухконтурные вихревые трубы дают возможность значительно сократить мощность, требуемую на достижение заданной температуры потока при помощи увеличения количества холодного потока газа, температуры которого остается постоянной .
В настоящее время в связи с повышением внимания к экологии и энергосбережению вопрос о создании крупномасштабных холодильно-нагревательных систем на базе вихревой трубы становится все более актуальным. Одним из недостатков является недостаточно высокая энергетическая эффективность вихревых устройств [11].
Целью данной работы является изучение эффекта Ранка-Хилша, и проведение численного моделирования температурного разделения потока в вихревой трубе на основе пакета программ Апзуз-Ниепи.
Уточненная гипотеза взаимодействия вихрей позволяет объяснить практически все характерные особенности температурного процесса разделения в вихревых трубах и позволяет рассчитать параметры охлажденного и подогретого потоков на выходе, а также определить их параметры распределения по всей камере температурного разделения.
В вихревой трубе в процессе закрутки образуются два закрученных потока квазипотенциальный периферийный и вынужденный приосевой с противоположно направленной осевой компонентой скорости, между которыми происходит энергообмен при наличии в приосевой области развитой турбулентности, интенсивность которой существенна. Течение в вихревой трубе существенно неустойчиво.
В настоящей работе описана математическая модель закрученного течения турбулентного сжимаемого газа, возникающего в двухконтурной вихревой трубе, и представлены результаты ее реализации в пакете Апзуз-Ниепй
Проведено численное моделирование двумерного течения в вихревой трубе Ранка- Хилша. Получены термодинамические и гидродинамические характеристики, которые подтверждают эффект температурного разделения. Показана зависимость температурного разделения от угла закрутки и величины давления,задающегося на входе.Для двумерной модели вихревой трубы проводились расчеты с использованием различных моделей турбулентности. Было выявлено, что выбор модели турбулентности, для решения уравнений не сильно влияет на интегральные составляющие долей холодного и нагретого потока, а так же не оказывают существенного влияния на температурное разделение в вихревой камере.
Проведено численное моделирование трехмерного течения потока газа в вихревой трубе Ранка-Хилша. Получены термодинамические и гидродинамические характеристики, которые подтверждают эффект температурного разделения потока.
Проведено исследование влияния площади поперечного сечения выхода для горячего газа на эффект температурного разделения. Выявлено что для вихревой трубы с меньшей площади сечения на выходе горячего потока эффективность температурного разделения намного выше, тогда как у вихревой трубы с большей площадью сечения на выходе горячего потока температура практически не меняется.
