Численное исследование естественной конвекции в кольцевом канале с подвижным внутренним цилиндром
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2024.17.4.35Ключевые слова:
естественная конвекция, кольцевой канал, численное моделирование, вращение, приближение Буссинеска, число Грасгофа, число Прандтля, алгоритм SIMPLER, метод конечных объемовАннотация
Численно исследуется естественная конвекция вязкой несжимаемой жидкости, заполняющей весь объем бесконечного горизонтального кольцевого канала. Конвекция вызвана перепадом температуры на внешней границе канала и может стать причиной вращения внутреннего цилиндра вокруг своей оси. Предполагается, что трением на оси вращения можно пренебречь. В качестве математической модели термоконвекции использовано приближение Буссинеска. Для численного решения задачи применен алгоритм SIMPLER. Уравнение движения внутреннего цилиндра получено из закона сохранения момента импульса. Выбор метода численного интегрирования уравнения движения внутреннего цилиндра не сказывается на результате. Проанализировано влияние безразмерных параметров на структуру течения и угловую скорость внутреннего цилиндра. Безразмерные параметры изменялись в пределах: число Грасгофа 103...2·105, число Прандтля 0.5...15, безразмерная теплопроводность 0...∞, радиус внутреннего цилиндра 0.05...0.9. Расчеты показали, что структура течения обуславливает величину угловой скорости внутреннего цилиндра, которая достигает максимума при одноячеечном течении и минимальном радиусе внутреннего цилиндра. С ростом числа Грасгофа максимально возможная скорость вращения внутреннего цилиндра монотонно растет и реализуется при больших внутренних радиусах. Число Прандтля оказывает противоположное влияние на скорость вращения цилиндра. При его снижении угловая скорость увеличивается и становится экстремальной при меньших значениях радиуса. Увеличение теплопроводности внутреннего цилиндра приводит к росту угловой скорости, но максимум получается при меньшем внутреннем радиусе. Влияние рассмотренных параметров на угловую скорость обуславливается изменением структуры течения в канале. Установленные результаты могут быть полезны при разработке технических устройств, в которых имеет место кольцевой канал с вращающимся внутренним цилиндром.
Скачивания
Библиографические ссылки
Кузнецов Г.В., Максимов В.И., Шеремет М.А. Естественная конвекция в замкнутом параллелепипеде при наличии локального источника энергии // Прикладная механика и техническая физика. 2013. Т. 54, № 4. C. 86–95.
Сорокин А.П., Кузина Ю.А., Иванов Е.Ф. Особенности теплообмена при кипении жидкого металла в ТВС быстрых реакторов в аварийных режимах // Атомная энергия. 2019. Т. 126, № 2. C. 69–75.
Кокорев Л.С., Харитонов В.В., Большаков В.И., Сысоев Ю.М., Плаксеев А.А. Естественная конвекция в волокнистой теплоизоляции // Теплофизика высоких температур. 1980. Т. 18, № 2. C. 341–346.
Гореликов А.В., Ряховский А.В., Фокин А.С. Численное исследование некоторых нестационарных режимов естественной конвекции во вращающемся сферическом слое // Вычислительная механика сплошных сред. 2012. Т. 5, № 2. C. 184–192. DOI: 10.7242/1999-6691/2012.5.2.22
Гончарова О.Н. Моделирование микроконвекции в жидкости, заключенной между теплопроводными массивами // Прикладная механика и техническая физика. 2011. Т. 52, № 1. C. 84–91.
Баутин С.П., Обухов А.Г., Баранникова Д.Д. Численное моделирование огненных вихрей при учете сил тяжести и Кориолиса // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56, № 2. C. 241–246. DOI: 10.7868/S0040364418020114
Kuehn T.H., Goldstein R.J. An experimental and theoretical study of natural convection in the annulus between horizontal concentric cylinders // Journal of Fluid Mechanics. 1976a. Vol. 74. P. 695–719. DOI: 10.1017/S0022112076002012
Черкасов С.Г. Теоретический анализ баланса энергии при стационарной тепловой гравитационной конвекции // Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену: Москва, 23-27 октября 2006 г. Т. 3. Свободная конвекция. Тепломассообмен при химических превращениях. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. C. 168–171.
Fallah K., Ghaderi A., Sedaghatizadeh N., Borghei M. Simulation of natural convection heat transfer using nanofluid in a concentric annulus // Thermal Science. 2017a. Vol. 21, no. 3. P. 1275–1286. DOI: 10.2298/TSCI150118078F
Shaija A., Narasimham G.S.V.L. Effect of surface radiation on conjugate natural convection in a horizontal annulus driven by inner heat generating solid cylinder // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009a. Vol. 52. P. 5759–5769. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.05.033
Al-Ansary H., Zeitoun O. Numerical study of conduction and convection heat losses from a half-insulated air-filled annulus of the receiver of a parabolic trough collector // Solar Energy. 2011a. Vol. 85, no. 11. P. 3036–3045. DOI: 10.1016/j.solener.2011.09.002
Нарыгин Э.И., Зубков П.Т. Модель естественной конвекции в кольцевом канале с подвижной внутренней границей // Вестник Башкирского университета. 2023. Т. 28, № 2. C. 131–136. DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2023.2.1
Патанкар С.В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. 150 с.
Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах. М.: МЭИ, 2003. 312 с.
###
Kuznetsov G.V., Maksimov V.I., Sheremet M.A. Natural convection in a closed parallelepiped with a local energy source. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2013. Vol. 54. P. 588–595. DOI: 10.1134/S0021894413040093
Sorokin A.P., Kuzina Y.A., Ivanov E.F. Characteristics of heat transfer during boiling of liquid metal in the fuel assemblies of fast reactors in emergency regimes. Atomic Energy. 2019. Vol. 126, no. 2. P. 73–82. DOI: 10.1007/s10512-019-00518-0
Kokorev L.S., Kharitonov V.V., Bol’shakov V.I., Sysoev Y.M., Plakseev A.A. Natural Convection in Fibrous Thermal Insulation. High Temperature. 1980. Vol. 18, no. 2. P. 341–346.
Gorelikov A.V., Ryakhovsky A.V., Fokin A.S. Numerical investigation of some unsteady regimes of natural convection in a rotating spherical shell. Computational Continuum Mechanics. 2012. Vol. 5, no. 2. P. 184–192. DOI: 10.7242/1999-6691/2012.5.2.22
Goncharova O.N. Modeling of microconvection in a fluid between heat conducting solids. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2011. Vol. 52. P. 67–73. DOI: 10.1134/S002189441101010X
Bautin S.P., Obukhov A.G., Barannikova D.D. Numerical simulation of fire vortices with consideration of gravity and Coriolis forces. High Temperature. 2018. Vol. 56. P. 229–233. DOI: 10.1134/S0018151X18020025
Kuehn T.H., Goldstein R.J. An experimental and theoretical study of natural convection in the annulus between horizontal concentric cylinders. Journal of Fluid Mechanics. 1976b. Vol. 74. P. 695–719. DOI: 10.1017/S0022112076002012
Cherkasov S.G. Teoreticheskiy analiz balansa energii pri statsionarnoy teplovoy gravitatsionnoy konvektsii. 4th Russian National Conference on Heat Transfer. Vol. 3. Moscow, 23-27 October/2006. P. 168–171.
Fallah K., Ghaderi A., Sedaghatizadeh N., Borghei M. Simulation of natural convection heat transfer using nanofluid in a concentric annulus. Thermal Science. 2017b. Vol. 21, no. 3. P. 1275–1286. DOI: 10.2298/TSCI150118078F
Shaija A., Narasimham G.S.V.L. Effect of surface radiation on conjugate natural convection in a horizontal annulus driven by inner heat generating solid cylinder. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009b. Vol. 52. P. 5759–5769. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.05.033
Al-Ansary H., Zeitoun O. Numerical study of conduction and convection heat losses from a half-insulated air-filled annulus of the receiver of a parabolic trough collector. Solar Energy. 2011b. Vol. 85, no. 11. P. 3036–3045. DOI: 10.1016/j.solener.2011.09.002
Narygin E.I., Zubkov P.T. A model of natural convection in an annular channel with movable internal border. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2023. Vol. 28, no. 2. P. 131–136. DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2023.2.1
Patankar S.V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere Publishing Corporation, 1980. 197 p.
Patankar S.V. Computation of conduction and duct flow heat transfer. CRC press, 2017. 370 p.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
