DOI: https://doi.org/10.30977/AT.2219-8342.2019.45.0.103

Числові дослідження течії закрученого затопленого струменя

Andrii Rogovyi

Анотація


У природі й техніці часто зустрічаються і використовуються закручені течії. Розмаїтість завдань, що зустрічаються у практиці проектування вихрових пристроїв, часто приводить до необхідності оцінки параметрів затопленого закрученого струменя й необхідності його чисельного розрахунку. Сучасні методи експериментальних і чисельних досліджень вимагають великих витрат фінансових ресурсів і часу на розрахунок. Тому для інженерних цілей потрібні спрощені алгоритми обґрунтованих і адекватних моделей розрахунку параметрів течії з мінімальними обчислювальними витратами, якою є досліджена в роботі модель турбулентності SST з коригуванням на кривизну ліній струму й обертання потоку. Математична модель містить у собі, крім моделі турбулентності, рівняння Нав’є–Стокса, осереднені за Рейнольдсом. У роботі оцінено вплив коригування на кривизну ліній струму й обертання потоку SST-моделі турбулентності. Хоча ступінь закручення обраний як основний параметр для порівняння, дослідження показали, що при зміні основних параметрів, що впливають на ступінь закручення, в абсолютних одиницях виміру, картини течії можуть відрізнятися, що вимагає певної уваги під час використання опублікованих результатів дослідження закручених течій інженерами. Це також підтверджує необхідність самостійних розрахунків при зміні розмірів вихідного сопла для оцінки ступеня загасання струменя і швидкостей в абсолютних одиницях. Розрахунок інтенсивності вихорів при проходженні закрученого струменя через конфузор показав, що більший кут конфузорності приводить до більшого ступеня закручення потоку на виході з нього. Використання конфузора дозволяє випрямити потік, й епюра швидкості на виході з конфузора виглядає як епюра швидкості незакрученого затопленого струменя. Коригування моделі турбулентності на кривизну ліній струму й обертання потоку дозволяє досить швидко, за допомогою комп'ютерів середньої потужності, визначати всі основні характеристики закрученого потоку.


Ключові слова


закручена течія; конфузор; чисельне моделювання; турбулентність; ступінь закручення

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


Valera-Medina A., Vigueras-Zuniga M. O., Baej H., Syred N., Chong C. T., Bowen P. J. (2017) Outlet geometrical impacts on blowoff effects when using various syngas mixtures in swirling flows. Applied energy, 207, 195-207.

Wei X. G., Li J., He G. Q. (2018) Swirl Characteristics of Vortex Valve Variable-Thrust Solid Rocket Motor. Journal of Applied Fluid Mechanics, 11(1), 205-215.

Syomin D., Rogovyi A. (2012) Features of a working process and characteristics of irrotational centrifugal pumps. Procedia Engineering, 39, 231-237.

Pitsukha E. A., Teplitskii Y. S., Buchilko É. K. (2018) Mixing of Bottom and Tangential Air in a Cyclone-Fluidized Bed Chamber. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 91(3), 696-704.

Yin J., Qian Y., Zhang T., Wang D. (2019). Measurement on the flow structure of a gas-liquid separator applied in TMSR. Annals of Nuclear Energy, 126, 20-32.

Syomin D. A. (2002). Asimptoticheskie znacheniia parametrov vikhrevykh ustroistv upravliaiushchikh transportirovaniem zhidkikh sred. [Asymptotic values of the parameters of vortex devices controlling the transportation of liquid media]. Visnyk SNU, 6(52), 189-196. [in Russian]

Rogovyi A., Khovanskyy S. (2017) Application of the similarity theory for vortex chamber superchargers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 233(1).

Markovich D. M., Abdurakipov S. S., Chikishev L. M., Dulin V. M., Hanjalić K. (2014) Comparative analysis of low-and high-swirl confined flames and jets by proper orthogonal and dynamic mode decompositions. Physics of Fluids, 26(6), 065109.

Cozzi F., Rohit S., Solero G. (2019) Analysis of coherent structures in the near-field region of an isothermal free swirling jet after vortex breakdown. Experimental Thermal and Fluid Science. 109, 109860.

Syred N. (2006) A review of oscillation mechanisms and the role of the precessing vortex core (PVC) in swirl combustion systems. Progress in Energy and Combustion Science. 32.2, 93-161.

Rogovyi A. (2018) Energy performances of the vortex chamber supercharger. Energy, 163, 52-60.

Kuznetsov V. I. (2015) Nekotorye predlozheniia k variantu differentsial'nogo uravneniia fizicheskogo protsessa vikhrevoi effekt konfuzora. [Some suggestions for a variant of the differential equation of a physical process vortex confuser effect]. Omskii nauchnyi vestnik. 1(137), 33-37. [in Russian]

Babenko V. V., Blohin V. A., Voskoboinick A. V., Turick V. N. (2005). Velocity Fluctuations in a Swirling Jet of a Vortex Chamber. International Journal of Fluid Mechanics Research. 32(2), 184-198.

Evdokimov O. A., Piralishvili S. A., Veretennikov S. V., Guryanov A. I. (2018, November). CFD Simulation of a Vortex Ejector for Use in Vacuum Applications. In Journal of Physics: Conference Series, 1128 (1), 012127.

Piralishvili Sh. A., Poliaev V. M., Sergeev M. N. (2000). Vikhrevoi effekt. Eksperiment, teoriia, tekhnicheskie resheniia [Vortex effect. Experiment, theory, technical solutions]. Moscow, UNPTs Energomash Publ. [in Russian] 16. Smul'skii I. I. (1992) Aerodinamika i protsessy v vikhrevykh kamerakh. [Aerodynamics and processes in vortex chambers]. Novosibirsk, VO «Nauka» Publ. Sibirskaia izdatel'skaia firma. [in Russian]

Syomin D. O., Rogovyi A. S., Levashov A. M. (2016). Vplyv zakruchennja potoku, shho perekachujet'sja, na energetychni harakterystyky vyhrekamernyh nasosiv. [Effect of swirling flow of pumped flow on the energy performance of vortex pumps]. Visnyk Nacional'nogo tehnichnogo universytetu «KhPI». Zbirnyk naukovyh prac'. Serija: Gidravlichni mashyny ta gidroagregaty [Bulletin of the National Technical University "KhPI". Collection of scientific works. Series: Hydraulic machines and hydraulic units.]. Kharkiv: NTU «KhPI», 20 (1192), 68-71. [in Ukranian]

Syomin D. O., Rogovyi A. S. (2017) Vyhorokamerni nagnitachi: monografija. [Vortex chamber superchargers]. Kharkiv: FOP Mezina V.V. Publ. [in Ukranian]

Mitrofanova O. V. (2010) Gidrodinamika i teploobmen zakruchennykh potokov v kanalakh iaderno-energeticheskikh ustanovok [Hydrodynamics and heat transfer of swirling flows in the channels of nuclear power plants]. Moskow: Fiz-matlit Publ, 2010. [in Russian]

He P., Mader C. A., Martins J. R., Maki K. J. (2018). An aerodynamic design optimization framework using a discrete adjoint approach with OpenFOAM. Computers & Fluids, 168, 285-303.

Gaydamaka A., Kulik G., Frantsuzov V., Hrechka I., Khovanskyi S., Rogovyi A., Svynarenko M., Maksimova M., Paraniak N. (2019) Devising an engineering procedure for calculating the ductility of a roller bearing under a no-central radial load. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 3(7-99), 6-10.

Rogovyi A., Khovanskyy S., Grechka I., Pitel J. (2020) The Wall Erosion in a Vortex Chamber Supercharger Due to Pumping Abrasive Mediums. In Design, Simulation, Manufacturing: The Innovation Exchange. Springer, Cham. 682-691.

Menter FR. (1994) Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, 32(8), 1598-1605.

Smirnov P. E., Menter F. R. (2009) Sensitization of the SST turbulence model to rotation and curvature by applying the Spalart–Shur correction term. Journal of Turbomachinery. 131(4), 041010.

Yin J., Jiao L., Wang L. (2010). Large eddy simulation of unsteady flow in vortex diode. Nuclear Engineering and Design, 240(5), 970-974.

Rogovyi A. (2016) Use of detached-eddy simulation method (DES) in calculations of the swirled flows in vortex apparatuses. Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, 16(3), 57-62.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


1. Valera-Medina A., Vigueras-Zuniga M. O., Baej H., Syred N., Chong C. T., Bowen P. J. Outlet geometrical impacts on blowoff effects when using various syngas mixtures in swirling flows. Applied energy, 2017. No 207. P. 195–207.
2. Wei X. G., Li J., He G. Q. Swirl Characteristics of Vortex Valve Variable-Thrust Solid Rocket Motor. Journal of Applied Fluid Mechanics, 2018. Vol. 11(1). P. 205–215.
3. Syomin D., Rogovyi A. Features of a working process and characteristics of irrotational centrifugal pumps. Procedia Engineering, 2012. No 39. P. 231–237.
4. Pitsukha E. A., Teplitskii Y. S., Buchilko É. K. Mixing of Bottom and Tangential Air in a Cyclone-Fluidized Bed Chamber. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2018. Vol. 91(3). P. 696–704.
5. Yin J., Qian Y., Zhang T. & Wang D. Measurement on the flow structure of a gas-liquid separator applied in TMSR. Annals of Nuclear Energy, 2019. Vol. 126. P. 20–32.
6. Сёмин Д. А. Асимптотические значения параметров вихревых устройств управляющих транспортированием жидких сред. Вісник СНУ, 2002. № 6(52). С. 189–196.
7. Rogovyi A. and Khovanskyy S. Application of the similarity theory for vortex chamber superchargers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 233. No. 1.
8. Markovich D. M., Abdurakipov S. S., Chikishev, L. M., Dulin, V. M., & Hanjalić, K. Comparative analysis of low-and high-swirl confined flames and jets by proper orthogonal and dynamic mode decompositions. Physics of Fluids, 2014. Vol. 26(6), P. 065109.
9. Cozzi, F., Rohit S., G. Solero. Analysis of coherent structures in the near-field region of an isothermal free swirling jet after vortex breakdown. Experimental Thermal and Fluid Science. 2019, Vol. 109, P.109860.
10. Syred N. A review of oscillation mechanisms and the role of the precessing vortex core (PVC) in swirl combustion systems. Progress in Energy and Combustion Science. 2006. Vol. 32.2. P.93–161.
11. Rogovyi A. Energy performances of the vortex chamber supercharger. Energy. 2018. № 163. P. 52–60.
12. Кузнецов В. И. Некоторые предложения к варианту дифференциального уравнения физического процесса вихревой эффект конфузора. Омский научный вестник. 2015. №1 (137). С. 33–37.
13. Babenko, V. V., Blohin, V. A., Voskoboinick, A. V., Turick, V. N. Velocity Fluctuations in a Swirling Jet of a Vortex Chamber. International Journal of Fluid Mechanics Research. 2005. Vol. 32. No. 2. P. 184–198.
14. Evdokimov O. A., Piralishvili S. A., Veretennikov S. V., Guryanov A. I. CFD Simulation of a Vortex Ejector for Use in Vacuum Applications. In Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1128, No. 1, P. 012127.
15. Пиралишвили Ш. А., Поляев В. М., Сергеев М. Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. Москва, УНПЦ «Энергомаш», 2000. 412 с.
16. Смульский И. И. Аэродинамика и процессы в вихревых камерах. Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992. 301 с.
17. Сьомін Д. О., Роговий А. С., Левашов А. М. Вплив закручення потоку, що перекачується, на енергетичні характеристики вихрекамерних насосів. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Збірник наукових праць. Серія: Гідравлічні машини та гідроагрегати. Харків: НТУ «ХПІ». 2016. № 20 (1192), С. 68–71.
18. Сьомін Д. О., Роговий А. С. Вихорокамерні нагнітачі: монографія. Харків: ФОП Мезіна В.В., 2017. 204 с.
19. Митрофанова О. В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах ядерно-энергетических установок. Москва: Физматлит, 2010. 288 с.
20. He P., Mader C. A., Martins J. R. & Maki K. J. An aerodynamic design optimization framework using a discrete adjoint approach with OpenFOAM. Computers & Fluids, 2018. № 168, Р. 285-303.
21.Gaydamaka A., Kulik, G., Frantsuzov, V.,Hrechka, I., Khovanskyi, S., Rogovyi, A., Svynarenko, M., Maksimova, M., Paraniak, N. Devising an engineering procedure for calculating the ductility of a roller bearing under a no-central radial load. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019, № 3(7-99), P. 6–10.
22. Rogovyi A., Khovanskyy S., Grechka I., Pitel J. The Wall Erosion in a Vortex Chamber Supercharger Due to Pumping Abrasive Mediums. In Design, Simulation, Manufacturing: The Innovation Exchange. Springer, Cham. 2020, P. 682–691.
23.Menter FR. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications AIAA Journal. 1994. V. 32(8). P. 1598–1605.
24. Smirnov, P.E., Menter, F.R. Sensitization of the SST turbulence model to rotation and curvature by applying the Spalart–Shur correction term Journal of Turbomachinery. 2009. Vol. 131.№. 4. P. 041010.
25. Yin J., Jiao L., Wang L. Large eddy simulation of unsteady flow in vortex diode. Nuclear Engineering and Design, 2010. Vol. 240(5), P. 970–974.
26. Rogovyi A. Use of detached-eddy simulation method (DES) in calculations of the swirled flows in vortex apparatuses. Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, 2016. Vol. 16, No 3. P. 57–62.