Средства и методы машинного расчета аппаратов при нестационарных условиях переноса тепла
Выделив задачу переноса энергии (тепла) благодаря введению понятий коэффициентов теплоотдачи на поверхностях сопряжения тела и потока теплоносителя, а также приняв распределение скоростей известным из отдельного рассмотрения задачи гидродинамики течения, получим для канала теплообменного аппарата (как было показано в подразд. 1.2) систему уравнений (1.1) — (1-13) с краевыми условиями.
Структура каналов в теплообменных аппаратах такова, что течение теплоносителей можно оценить как одномерное, поэтому
|
€>. |
_ С1 |
Вычисление 4 формула |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I
(^Остаиоб ^
Рис. 5.8. Блок-схема ра с чета температурной поправки £д<
Представляется возможным строить два типа моделей решения задачи переноса тепла от одного теплоносителя к другому через твердую стенку.
Рассмотрим для простоты только взаимодействие одного теплоносителя с твердым телом (учет взаимодействия с другим теплоносителем не вносит методических изменений в структуру построения модели).
Следуя рекомендациям для ламинарного потока теплоносителя в приближениях теории пограничного слоя [104], уравнение переноса энергии (тепла) записываем в виде
Д2(,
(5.14) |
5Л Ді. аТ + “^ =
СржРж ду
520 д2Ь ~2 + а7 |
Уравнение переноса энергии (тепла) для твердого тела
(5.15) |
(Эи _ *т д1
СлтРт 'у Ох
Для потока теплоносителя рассматриваем область в пределах толщины пограничного слоя 0 < у < Л в канале длиной 0 < х < <1 при толщине стенки канала 5. Тогда для получения единственного решения к уравнениям (5.14) — (5.15) присоединим краевые условия
= 0; |
Л, |
(5.16) |
|
|т=л - /п; 0 |і=о = 0; |
X — — ) — К«<1у -^Лу |
Пели профиль скорости в канале неизвестен, а течение заведомо турбулентное, вводят среднерасходную скорость Щ)с и осред - ненную температуру потока. Тогда для канала, симметрично омываемого внешним теплоносителем, система уравнении переноса энергии (тепла) в потоках и твердом теле примет вид (1.15):
Ді, |
Дх 50 |
СотРт |
СріРі + ^с! = — [0 (*> °» 1 |
Г^0 ^ дх~ ду2 |
Ди |
А„г |
Ді2 д12
СР2Р2^+^2^ = ~ІІ2 - ЦХ, 8, X)].
Присоединим к системе уравнений краевые условия Л|-=і'=Ло; ^2Іт=о = ^2о; 0|т=о = О(х, у, 0);
А,[в(х, 0, т) — Ґ! ] =ХТ
Ду
(5.17) |
Г/=5 |
<*2 {її — 0 (а:, 3, ,)] = _ХТ^
Построив два типа моделей нестационарного переноса энергии (тепла) в системе теплоносители — твердое тело, необходимо выбрать метод и средства решения поставленных задач.
В задачах стационарного переноса энергии (тепла) основной целью расчета теплообменного аппарата является определение поверхности теплообмена, потерь давления в теплоносителях и конструктивное описание аппарата, а в задачах нестационарного переноса — определение изменения полей температур в потоках теплоносителей и в твердом теле во времени.
Задачи, описываемые уравнениями в частных производных типа (5.14) — (5.15) и (1.14) — (1.16) с краевыми условиями, относятся к краевым задачам математической физики.
В справочнике по расчетам тепловых состояний [21] представлены материалы по применению различных методов и средств решения подобного рода задач.
Подготавливая объект, определяя цели, в качестве средства исследования следует выбрать структурные АВМ, сеточные АВМ (ЯС-сетки), цифровые ЭВМ.
В зависимости от выбранного машинного средства исследования система уравнений и краевые условия аппроксимируются системой обыкновенных дифференциальных уравнений либо системой алгебраических уравнений. Исследователь должен учитывать тип вычислительных средств, трудоемкость программирования и подготовки задачи при требуемой точности получения решения.
Чтобы показать возможности различных вычислительных средств, рассмотрим решение задач нестационарного переноса тепла, описываемое уравнениями (5.14) — (5.15), (1.14) — (1.16) с краевыми условиями.
Если в процессе исследования нас интересует детальное распределение температур в потоке теплоносителя и в твердом теле по пространственным координатам, то система обыкновенных дифференциальных уравнений, аппроксимирующих уравнения (5.14) —(5.15), будет равна числу узловых точек в областях потока и твердого тела. В этом случае эффективно использование аналоговой вычислительной машнны с сетками омических сопротивлений типа УСМ-1 [59], как показано в работе [10].
В задаче, описываемой уравнениями (5.14)—(5.15) и краевыми условиями (5.16), разобьем исследуемую область для потока теплоносителя и твердого тела сеткой прямых х = /Длг, у = )'Ау, где I, / = о, 1,2
Заменяя непрерывные функции ( (х, у, т) и 6 (*, у, т) сеточными, аппроксимируем дифференциальные уравнения в частных производных обыкновенными для сеточных функций [21]. Для равношаговой сетки уравнение (5.14) примет вид
^ ~ и = % У‘-'+‘ “ (5■ 18>
—
Да,- |
V |
Уравнение (5.15) запишем так: |
^2 (®‘+1 ■/ — 1 ®'—1, й Т~2 Ж — 26;. 1 + 0;, /—О
(5.19)
Уравнение (5.19) и краевые условия моделируются на обычной ^С-сетке для решения задач нестационарной теплопроводности [21, 38]. Уравнение (5.18) предлагается моделировать сеткой, состоящей из ЛС-элементов, дополненной усилителями с единичку
Рис. 5.9. Схема модели, описываемая уравнениями (5.23), (5.24) Рис. 5.10. Схема модели с усредненными параметрами потока |
Ным коэффициентом усиления (рис. 5.9). Действительно, для узла с коэффициентами I, } на основании закона Кирхгофа можно записать ди^, 1 1
С ТГ + Т 1 ~ и‘• =' Т? — ил ^ +
(5.20) |
+ (^(—1. / — /)•
Уравнение для электрической разветвленной цепи (5.20) будет аналогом уравнения (5.8), если выполнены условия
К1 а&у) _ п цж _ п Кшс ’ ду2 ~ %с’
Поскольку твердое тело также моделируется /?С-сеткой, для совместного решения необходимо выполнить условие
(5.21) |
Яг ХЖД у,
/? _ *ТДу’
Напряжение и| на выходе из формирователя Ф является аналогом температуры набегающего потока. Конвективный перенос в движущемся потоке будет существенней, чем кондуктивнын,
поэтому для исключения возможности обратных токов целесообразно в направлении течения включить операционные усилители с коэффициентом усиления, равным единице.
Таким образом, АВМ с /?С-сстками позволяют решать сопряженную задачу переноса тепла в твердом теле и ламинарном потоке, если задан профиль скоростей в пограничном слое.
Решение задачи, описываемой системой уравнений (1.14).— (1.16) с. краевыми условиями (5.17), можно осуществить на АВМ с RC-сетками, как это показано в работе [10]. В этом случае уравнения энергии потоков моделируются /?С-цепочка - мн, дополненными усилителями с единичным коэффициентом усиления (рис. 5.10). Расчет параметров ^С-цепочек осуществляется так же, как и в предыдущей задаче.
Если в рекуперативном теплообменном аппарате при исследовании нестационарных процессов переноса энергии пренебречь теплоемкостью стенок, разделяющих потоки, то математическую модель аппарата можно представить уравнениями
(1.20) — (1.21) с начальными условиями (1.22) — (1.23). Покажем, что для решения задач такого типа наиболее эффективно использование структурных АВМ.
Пусть температура теплоносителя, обтекающего трубный пучок, постоянна. Подобные условия возникают при обтекании трубного пучка влажным конденсирующимся паром. Тогда задача переноса тепла во втором теплоносителе описывается уравнением энергии
(5.22)
Разобьем всю длину канала сеткой с шагом h, тогда уравнение (5.22) аппроксимируется системой обыкновенных дифференциальных уравнений по временной координате.
В инженерной практике наиболее широко используются структурные АВМ типа МН-7, имеющие шесть интеграторов. Для решения уравнения (5.22) на МН-7 целесообразно шаг сетки hi выбрать так, чтобы в области исследования насчитывалось шеСть узловых точек. Тогда система обыкновенных дифференциальных уравнений, аппроксимирующих (5.22), примет РИД
(III _
= — а.Т 1 - f - а.То + а{Гн — а{Гi; - jr = — -+- o.{Ti - j - а{Г,, — а<{Г2
(5.23) |
——fliT’4 - J - aTi + О-гТн — О2Т3',
Л
— - = — CI1T5 й[Тз - f «2ТN — CI2T
Рис. 5.11. Блок-схема решения задачи переноса тепла в потоке на АВМ |
ЛТс
-гг = — аТъ +а{Т4 + а2Ти—а2Т5;
В - Ь 0-зТз -|- а{Гп — сцТ§,
Здесь а = шс/2/гь а2 = kZ/pcpSi ал = wjh. В случае неравно - шаговой сетки коэффициенты Я| во всех уравнениях бу1$т различны.
В соответствии со структурной схемой (рис. 5.П) системы уравнений (5.23) для моделирования на МН-7 оказываются задействованы все интеграторы, шесть сумматоров, один инвертор. и вспомогательный операционный усилитель У-17. Задача рассматриваемого объема использует все вычислительные поз - можностн машины МН-7.
При необходимости решения задачи аппроксимируемых достаточно большим числом обыкновенных дифференциальных уравнений целесообразно применение более мощных АВМ.
Важнейшие достоинства структурных АВМ при изучении процессов нестационарного переноса — визуализация протека - мия процессов и возможность оперативного воздействия на определяющие процесс факторы [И, 50].
Благодаря стандартным программам решения систем обыкновенных дифференциальных уравнении на современных ЭВМ, использование их для решения подобных задач не представляет проблем. Ограничения могут диктоваться лишь предельно допустимым порядком системы, реализуемой в стандартной программе.
Наиболее эффективно применение ЭВМ в случае реализации прогоночных методов [73] для анализа аппаратов с простой геометрией каналов. При сложной геометрии проблема разработки и отладки программы оказывается определяющей, тогда аффективны методы, ориентированные на АВМ с /?С-сетками,
Применение структурных АВМ целесообразно в задачах анализа, когда необходима прежде всего качественная оценка характера переходных процессов и влияния на них входных и возмущающих воздействии.