Файл: Численное моделирование процессов энергоразделения в потоках сжимаемого газа.pdf

149 7. На базе одномерной модели устройства испарительного охлаждения (аэро­
термопрессора) показано, что при впрыске капель воды в высокоскоростной
(начальное число Маха M
0
« 1.5
) высокотемпературный (????
˚
0
“ 727
°C)
поток газа возможно достичь степени повышения давления торможения
« 1.25
при скорости впрыскиваемых капель равной скорости основного по­
тока.
8. Рассмотрено устройство энергоразделения с проницаемой стенкой. Постро­
ены математические модели устройства (1D и 2D). Проведена валидация моделей.
9. Показана, проанализирована и теоретически обоснована возможность бес­
скачкового торможения сверхзвукового потока в канале постоянного сече­
ния при отсосе газа через стенки канала.
10. Показано наличие экстремума температур для охлаждаемого и нагретого потоков в зависимости от начального давления торможения (для канала с заданной геометрией и пористостью).
11. Показано, что эффект энергоразделения в канале с проницаемыми стенка­
ми зависит от начального числа Маха, начального давления торможения и числа Прандтля. При изменении начального числа Маха с M
????????
“ 1
на
M
????????
“ 3
охлаждение воздушного потока увеличивается с |Δ????
˚
????
| “ 5
°C до
|Δ????
˚
????
| “ 15
°C. При изменении числа Прандтля с Pr “ 0.7 на Pr “ 0.2,
охлаждение потока увеличивается более чем в два раза с |Δ????
˚
????
| “ 20
°C до
|Δ????
˚
????
| “ 45
°C.
12. Показано влияние уровня отсоса на распределение температуры торможе­
ния в пограничном слое: величина максимума температуры торможения существенно увеличивается по сравнению с непроницаемой стенкой и сме­
щается по направлению к стенке с увеличением уровня отсоса.

150
Список литературы
1. Пиралишвили Ш. А. Вихревой эффект. Т. 1: Физическое явление, экспе­
римент, теоретическое моделирование. — М.: Научтехлитиздат, 2013. —
343 с.
2. Goldstein R. J., Behbahani A. I., Heppelmann K. K. Streamwise distribution of the recovery factor and the local heat transfer coefficient to an impinging circular air jet // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 1986.
— Vol. 29, no. 8. — Pp. 1227 – 1235.
3. Raman Ganesh, Srinivasan K. The powered resonance tube: From Hartmann’s discovery to current active flow control applications // Progress in Aerospace
Sciences. — 2009. — Vol. 45, no. 4. — Pp. 97–123.
4. Емин О. Н., Зарицкий С. П., Моравский А. В. Экспериментальное иссле­
дование работы эжектора с отрицательным коэффициентом эжекции //
Теплоэнергетика. — 1972. — № 10. — С. 51–53.
5. Pohlhausen E. Der W¨armeaustausch zwischen festen K¨orpern und
Fl¨ussigkeiten mit kleiner reibung und kleiner W¨armeleitung // ZAMM - Jour­
nal of Applied Mathematics and Mechanics / Zeitschrift f¨ur Angewandte
Mathematik und Mechanik. — 1921. — Vol. 1, no. 2. — Pp. 115–121.
6. Leont’ev A. I. Temperature stratification of supersonic gas flow // Doklady
Physics. — 1997. — Vol. 42, no. 6. — Pp. 309–311.
7. Здитовец А. Г., Виноградов Ю. А., Стронгин М. М. Экспериментальное исследование температурной стратификации воздушного потока, протека­
ющего через сверхзвуковой канал, с центральным телом в виде пористой проницаемой трубки // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. — 2013. — № 5. — С. 134–145.
8. Бурцев С. А. Исследование температурного разделения в потоках сжима­
емого газа: дис. ... канд тех. наук : 01.04.14. — Москва, 2001. — 124 с.

151 9. Макаров М. С. Газодинамическая температурная стратификация в сверх­
звуковых потоках: дис. ... канд физ.-мат. наук : 01.04.14. — Новосибирск,
2007. — 154 с.
10. Макарова М. С. Численное исследование тепловых и динамических про­
цессов в элементах устройств энергоразделения газов: дис. ... канд. техн.
наук: 01.04.14. — М., 2014. — 121 с.
11. Безмашинное энергоразделение газовых потоков / А. И. Леонтьев,
А. Г. Здитовец, Ю. А. Виноградов и др. —
ООО Издательство
!
КУРС
"
Москва, 2016. — 112 с.
12. Experimental investigation of energy (temperature) separation of a high-veloc­
ity air flow in a cylindrical channel with a permeable wall / A. I. Leontiev,
A. G. Zditovets, N. A. Kiselev et al. // Experimental Thermal and Fluid Sci­
ence. — 2019. — Vol. 105. — Pp. 206–215.
13. Ranque G. J. Experiences sur la detente giratoire avec productions simultanees d’un echappement d’air chand et d’un echappemen d’air froid // Journal de physique et le radium. — 1933. — no. 4(7). — Pp. 112–114.

152 19. Hilsch R. The Use of the Expansion of Gases in a Centrifugal Field as Cooling
Process // Review of Scientific Instruments. — 1947. — Vol. 18, no. 2. —
Pp. 108–113.
20. Xue Yunpeng, Arjomandi Maziar, Kelso Richard. A critical review of temper­
ature separation in a vortex tube // Experimental Thermal and Fluid Science.
— 2010. — Vol. 34, no. 8. — Pp. 1367 – 1374.
21. Fulton C. D. Ranque’s Tube // Refrigerating Engineering. — 1950. — Vol. 5.
— Pp. 473–479.
22. An investigation of energy separation in a vortex tube / K. Stephan, S. Lin,
M. Durst et al. // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 1983.
— Vol. 26, no. 3. — Pp. 341 – 348.
23. Sarohia V., Back L. H. Experimental investigation of flow and heating in a resonance tube // Journal of Fluid Mechanics. — 1979. — Vol. 94, no. 4. —
P. 649–672.
24. Елисеев Ю. Б., Черкез Л. Я. Об эффекте повышения температуры тормо­
жения при обтекании газом глубоких полостей // Изв. АН СССР. МЖГ.
— 1971. — № 3. — С. 8–18.
25. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М.: Наука, 1974. — 711 с.
26. Ackermann G. Plattenthermometer in Str¨omung mit großer Geschwindigkeit und turbulenter Grenzschicht // Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwe­
sens A. — 1942. — Nov. — Vol. 13, no. 6. — Pp. 226–234.
27. Измерение равновесной температуры стенки сверхзвукового сопла при течении смеси газов с низким значением числа Прандтля / Ю. А. Ви­
ноградов, И. К. Ермолаев, А. Г. Здитовец, А. И. Леонтьев // Известия
Российской академии наук. Энергетика. — 2005. — № 4. — С. 128–133.
28. Rudy David H., Weinstein Leonard M. Investigation of turbulent recovery fac­
tor in hypersonic helium flow // AIAA Journal. — 1970. — Vol. 8, no. 12. —
Pp. 2286–2287.

153 29. Вигдорович И. И., Леонтьев А. И. К теории энергоразделения потока сжимаемого газа // Известия Российской академии наук. Механика жид­
кости и газа. — 2010. — № 3. — С. 103–109.
30. Вигдорович И. И., Леонтьев А.И. Энергоразделение газов с малыми и большими числами Прандтля // Изв. РАН. МЖГ. — 2013. — № 6. —
С. 117–134.
31. Макаров М.С., Макарова С.Н. Эффективность энергоразделения при те­
чении сжимаемого газа в плоском канале // Теплофизика и аэромеханика.
— 2013. — Т. 20, № 6. — С. 777–787.
32. Тепловые процессы в потоках газовых смесей с малым числом Прандтля /
В.Е. Накоряков, М.С. Макаров, Ю.И. Петухов и др. — Новосибирск: Ака­
демиздат, 2015. — 283 с.
33. Makarov M.S., Makarova S.N., Shibaev A.A. The numerical study of energy separation in a two-cascade Leontiev tube // Journal of Physics: Conference
Series. — 2016. — Oct. — Vol. 754. — P. 062010.
34. Макаров М. С., Макарова С. Н., Наумкин В. С. Газодинамическое энер­
горазделение в двух- и трехкаскадных трубах Леонтьева с изолирующей вставкой // 7-я Российская национальная конференция по теплообмену.
РНКТ–7. — Т. 1. — Москва: Издат. дом МЭИ, 2018. — С. 205–209.
35. Makarov M. S., Makarova S. N., Naumkin V. S. Energy separation efficiency of air and helium-xenon mixture flowing in the single Leontiev tube with finned wall // Journal of Physics: Conference Series. — 2018. — Nov. — Vol. 1128.
— P. 012018.
36. Makarov M S, Makarova S N. The influence of the supersonic nozzle length on the efficiency of energy separation of low-Prandtl gas flowing in the finned single Leontiev tube // Journal of Physics: Conference Series. — 2020. — dec.
— Vol. 1675. — P. 012011.
37. Makarov M. S., Makarova S. N. Entropy change in a single Leontiev tube during energy separation of low-Prandtl gas mixture. — 2021. — oct. — Vol.
2057, no. 1. — P. 012029.

154 38. Leont’ev A. I., Lushchik V. G., Yakubenko A. E. Injection/Suction Effect on
Energy Separation of Compressible Flows // Fluid Dynamics. — 2011. —
Vol. 46, no. 6. — Pp. 935–941.
39. Леонтьев А. И., Осипцов А. Н., Рыбдылова О. Д. Пограничный слой на плоской пластине в сверхзвуковом газкапельном потоке. Влияние испаря­
ющихся капель на температуру адиабатической стенки // Теплофизика высоких температур. — 2015. — № 6. — С. 910–917.
40. Азанов Г. М., Осипцов А. Н. Влияние мелких испаряющихся капель на температуру адиабатической стенки в сжимаемом двухфазном погранич­
ном слое // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. — 2016. — № 4. — С. 62–71.
41. Голубкина И. В., Осипцов А. Н. Влияние примеси неиспаряющихся капель на структуру течения и температуру адиабатической стенки в сжимаемом двухфазном пограничном слое // Известия Российской академии наук.
Механика жидкости и газа. — 2019. — № 3. — С. 58–69.
42. Леонтьев А. И., Бурцев С. А. Устройство вихревого газодинамического энергоразделения // Доклады Академии наук. — 2015. — Т. 464, № 6. —
С. 679–681.
43. Цынаева А. А., Цынаева Е. А., Никитин М. Н. Интенсификация теп­
лообмена в энергетических устройствах на основе газодинамической температурной стратификации с помощью тепловых труб // Промышлен­
ная энергетика. — 2014. — № 12. — С. 36–39.
44. Использование метода сверхзвукового безмашинного энергоразделения при редуцировании давления природного газа / С. С. Попович, А. Г. Зди­
товец, Н. А. Киселёв, М. С. Макарова // Тепловые процессы в технике. —
2019. — Т. 11, № 91. — С. 2–15.
45. Экспериментальное исследование газодинамической температурной стра­
тификации природного газа / А.И. Леонтьев, С.А. Бурцев, Я.М. Визель,
Чижиков Ю.В. // Газовая промышленность. — 2002. — № 11. — С. 72–75.

155 46. Здитовец А. Г., Титов А. А. Экспериментальное исследование газодина­
мического метода безмашинного энергоразделения воздушных потоков //
Тепловые процессы в технике. — 2013. — № 9. — С. 391–397.
47. Vinogradov Yu A., Zditovets A. G., Strongin M. M. Experimental investigation of the temperature stratification of an air flow through a supersonic channel with a central body in the form of a porous permeable tube // Fluid Dynamics.
— 2013. — Vol. 48, no. 5. — Pp. 687–696.
48. Здитовец А. Г., Виноградов Ю. А., Стронгин М. М. Экспериментальное исследование безмашинного энергоразделения воздушных потоков в трубе
Леонтьева // Тепловые процессы в технике. — 2015. — № 9. — С. 397–404.
49. Influence of the parameters of supersonic flow on effectiveness of gazdynam­
ic method of temperature separation / A. G. Zditovets, Yu A. Vinogradov,
M. M. Strongin, N. A. Kiselev // Journal of Physics: Conference Series. —
2017. — Vol. 891, no. 012079. — Pp. 1–7.
50. Experimental investigation of the machine-free method of temperature sep­
aration of air flows based on the energy separation effect in a compressible boundary layer / A.I. Leontiev, A.G. Zditovets, Y.A. Vinogradov et al. //
Experimental Thermal and Fluid Science. — 2017. — no. 88. — Pp. 202–219.
51. Experimental study of the temperature separation of the air flow in a cylindrical channel with permeable walls / A. G. Zditovets, A. I. Leontiev, N. A. Kise­
lev et al. // Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference,
IHTC-16, Beijing, China. — No. IHTC16-21878. — 2018.
52. Leontiev A. I., Lushchik V. G., Yakubenko A. E. A heat-insulated permeable wall with suction in a compressible gas flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2009. — Vol. 52, no. 17-18. — Pp. 4001–4007.
53. Леонтьев А. И., Лущик В. Г., Макарова М. С. Температурная стра­
тификация при отсосе пограничного слоя из сверхзвукового потока //
Теплофизика высоких температур. — 2012. — Т. 50, № 6. — С. 793–798.
54. Процессы торможения сверхзвуковых течений в каналах / О. В. Гуськов,
В. И. Копченов, И. И. Липатов и др. — М.: Физматлит, 2008. — 168 с.

156 55. Хазов Д. Е. Численное исследование безмашинного энергоразделения воз­
душного потока // Тепловые процессы в технике. — 2018. — Т. 10, № 1-2.
— С. 25–36.
56. Основы газовой динамики / Под ред. Г. Эммонс. — М.: Иностранной ли­
тературы, 1963. — 698 с.
57. Gesellschaft VDI. VDI Heat Atlas. VDI-Buch. — Springer Berlin Heidelberg,
2010.
58. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбу­
лентном пограничном слое. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 320 с.
59. Теория тепломассообмена / С.И. Исаев, И.Ф. Кожинов, В.И. Кофанов и др.; Под ред. А. И. Леонтьев. — М.: Высш. школа, 1979. — 495 с.
60. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. — М.: Энергоаомиздат, 1984. — 149 с.
61. Launder B. E., Spalding D. B. Lectures in Mathematical Models of Turbulence.
— London, England: Academic Press, 1972. — 169 pp.
62. A new k-ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows /
Tsan-Hsing Shih, William W. Liou, Aamir Shabbir et al. // Computers &
Fluids. — 1995. — Vol. 24, no. 3. — Pp. 227 – 238.
63. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. Turbulence Modeling for CFD. —
DCW Industries, 2006.
64. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. — 1994. — Vol. 32, no. 8. — Pp. 1598–1605.
65. Kays W.M., Crawford M.E. Convective heat and mass transfer. McGraw-Hill
Series in Management. — McGraw-Hill Ryerson, Limited, 1980.
66. Kays W. M. Turbulent Prandtl number — where are we? // J. Heat Transfer.
— 1994. — no. 116 (2). — Pp. 284–295.
67. Oberkampf W. L., Roy C. J. Verification and Validation in Scientific Comput­
ing. — Cambridge University Press, 2010.

157 68. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: идеи,
методы, примеры. — Физико-математическая литература, 2005. — 320 с.
69. Здитовец А. Г., Виноградов Ю. А., Стронгин М. М. Экспериментальное исследование безмашинного энергоразделения воздушных потоков в трубе
Леонтьева // Тепловые процессы в технике. — 2015. — № 9. — С. 397–404.
70. Meier H., Rotta J. Experimental and theoretical investigations of temperature distributions in supersonic boundary layers // 3rd Fluid and Plasma Dynamics
Conference. — AIAA 1970-744. 1970. — June.
71. Giacobbe F. W. Estimation of Prandtl numbers in binary mixtures of helium and other noble gases // The Journal of the Acoustical Society of America. —
1994. — Vol. 96, no. 6. — Pp. 3568–3580.
72. Tournier Jean-Michel P., El-Genk Mohamed S. Properties of noble gases and binary mixtures for closed Brayton Cycle applications // Energy Conversion and Management. — 2008. — Vol. 49, no. 3. — Pp. 469–492. — Space Nuclear
Power and Propulsion.
73. Khazov D. E. On the question of gas-dynamic temperature stratification device optimization // Journal of Physics: Conference Series. — 2017. — Vol. 891,
no. 1. — P. 012078.
74. Вихревые аппараты / А. Д. Суслов, С. В. Иванов, А. В. Мурашкин,
Ю. В. Чижиков. — Москва: Машиностроение, 1985. — 256 с.
75. Вулис Л.А. Термодинамика газовых потоков. — М., Л.: Госэнергоиздат,
1950. — 304 с.
76. Shapiro A. H. The dynamics and thermodynamics of compressible fluid flow.
— The Ronald Press Company, 1953. — Vol. 1. — 647 pp.
77. Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика: Учебник для авиационных вузов. — М.: Машиностроение, 1981. — 374 с.
78. Seiff A. Examination of the existing data of the heat transfer of turbulent boundary layers at supersonic speeds from the point of view of Reynolds anal­
ogy. — NACA, TN-3284, 1954. — 38 pp.