Numerická simulace sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu

Transkript

1 Konference ANSYS 2009 Numerická simulace sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu Petr Kovařík Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň, kovarikp@ntc.zcu.cz Abstract: The paper deals with numerical simulation of the flow and the heat transfer in the entrance part of the annular channel. For different values of intensity of turbulence the profiles of the turbulence and the heat transfer in the entrance part of the channel were determinated. The influence of existing of the simplified geometry of spacer was investigated. Keywords: CFD, annular tube, heat transfer coefficient, spacer Abstrakt: Článek se zabývá numerickou simulací proudění a sdílení tepla ve vstupní části kanálu mezikruhového průřezu. Pro různé hodnoty velikosti vstupní intensity turbulence jsou určeny profily intenzity turbulence a velikost sdílení tepla ve vstupní části kanálu mezikruhového průřezu. Dále je sledován vliv existence zjednodušené geometrie distančního kroužku na sdílení tepla v kanálu. Klíčová slova: CFD, mezikruhový kanál, součinitel přestupu tepla, distanční kroužek 1. Úvod Turbulentní proudění a přestup tepla v zahřívaných mezikruhových kanálech je velmi zajímavé téma, protože se vyskytuje v mnoha inženýrských systémech např. výměníky tepla, svazky palivových tyčí jaderných reaktorů atd. Je dobré porozumět vlastnostem turbulence a sdílení tepla při takovémto proudění, vytvořit model popisující tyto děje a posléze využít tohoto modelu při vývoji těchto zařízení. Numerický model proudění v mezikruhovém kanálu je zpřesňován na základě měření na experimentálním zařízení, které je prováděno na základě metody žhaveného drátku (CTA). 2. Experimentální zařízení Experimentální zařízení (Obr. 1) je složeno za dvou základních částí turbulizujícího zařízení a z vlastního proměřované úseku. Turbulizující zařízení se skládá z turbulizátoru, uklidňovacího úseku a konfuzoru. Proudící vzduch prochází uklidňovací nádobou a vstupuje do turbulizátoru. Zde dochází pomocí změny počtu otevřených děr k vývinu požadované velikosti turbulence. Za turbulizátorem proudí vzduch uklidňovacím úsekem a následně pak vstupuje do konfuzoru, který slouží k vyrovnání profilů rychlosti a turbulence. Vlastní proměřovaný úsek je kanál mezikruhového průřezu s vnitřní stěnou topenou a vnější stěnou tepelně izolovanou. Sestává se ze

2 TechSoft Engineering & SVS FEM dvou hlavních částí, a sice z vnější trubky a dále z vnitřní trubky, která je zdrojem tepla (topná tyč). Teplo se v trubce vyvíjí průchodem stejnosměrného elektrického proudu. Topná tyč je dále uvnitř rozdělena teflonovými přepážkami na řadu komůrek, do nichž jsou vloženy termočlánky, které udávají teplotu topné tyče. Teflonové přepážky slouží k zamezení proudění uvnitř topné trubky. V mezikruhového průřezu je sledován vliv vstupní turbulence a rychlosti na sdílení tepla. Obr. 1 Schéma experimentálního zařízení 3. Numerická simulace Byly uvažovány dvě geometrické varianty pro turbulizátor o průměru 156 s počtem otevřených otvorů 6 a 36 viz Obr. 3. A dále varianty s 36 otevřenými otvory a se zjednodušenou geometrií distančního kroužku s délkou 15 a 45, ve vzdálenosti od stěny topné trubky 1,5, viz Obr. 2. Obr. 2 Výpočtové geometrie červeně topná trubka, zeleně geometrie kroužku

3 Konference ANSYS 2009 Obr. 3 Výpočtové geometrie vlevo varianta se 6 otvory, vlevo s 36 otvory Vzhledem k symetrii otvorů v turbulizátoru byla ve výpočtovém modelu modelována pouze polovina reálné geometrie a na příslušné stěny byla nastavena okrajová podmínka syetry. Ze vstupní uklidňují nádoby byla zachována pouze její vnitřní část s trubkou. Na vstupu do této trubky byla nastavena okrajová podmínka mass flow. Před vstupem do konfuzoru za uklidňovacím úsekem je z důvodu použitého postupu síťování umístěna okrajová podmínka interface. Na výstupu z celé domény byla nastavena okrajová podmínka pressure - outlet viz Obr. 4. Výkon generovaný průchodem elektrického proudu topnou trubkou byl zadán jako objemový zdroj do objemu topné trubky. Vzduchové komory v topné trubce byly modelovány jako solid s termofyzikálními vlastnostmi vzduchu. Tím je zamezeno promíchávání vzduchu uvnitř topné trubky vlivem zahřívání. Výpočtová síť celé domény měla velikost cca 3,4 milionu buněk, na výšku kanálu bylo 60 buněk. Výpočtová geometrie symetrického modelu palivového článku byla připravena v programu Gambit Obr. 4 Výpočtová geometrie nastavení okrajových podmínek

4 TechSoft Engineering & SVS FEM Matematický popis proudění je dán soustavou Navier-Stokesových rovnic pro turbulentní teplotně závislé a stlačitelné proudění. Tekutina je uvažována jako vazká, newtonovská. Pro vlastní řešení byl použit komerční CFD program Fluent verze nastavený na stacionární pressure based řešič s druhým řádem přesnosti. Ve výpočtu byl použit model turbulence Standard K- ε. 4. Výsledky Pro všechny geometrické varianty byla zvolena vstupní rychlost 70 m/s v kanálu mezikruhového průřezu. A topný výkon odpovídal průchodu proudu o velikosti cca 150 A. Na Obr. 5 jsou uvedeny průběhy teploty podél topné trubky. Pro varianty bez distančního kroužku je na začátku topné trubky patrný prudký nárůst teploty vstupujícího proudu vzduchu. Po přibližně 10 cm již dochází k lineárnímu nárůstu teploty. Není zde patrný výrazný rozdíl v teplotách mezi variantou s 36 a 6 otvory. Profily teploty jsou pro varianty s distančním kroužkem jsou v části do 10 cm délky topné trubky shodné s profily teplot variant bez distančního kroužku. Poté dochází k nárůstu teploty vlivem existence distančního kroužku. U varianty s distančním kroužkem délky 45 dosahuje teplota proudícího vzduchu vyšších hodnot než u varianty s Teplota trubky [K] začátek kroužku konec kroužku 45 konec kroužku otvorů, bez kroužku 6 otvorů, bez kroužku 36 otvorů, kroužek délka otvorů, kroužek délka ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Délka trubky [m] Obr. 5 Profil teploty podél topné trubky

5 Konference ANSYS 2009 Na Obr. 6 jsou znázorněny profily součinitele přestupu tepla podél topné trubky. Za referenční teplotu pro výpočet součinitele byla brána teplota ve středu kanálu mezikruhového průřezu začátek kroužku konec kroužku 45 Součinitel přestupu tepla [w/mk] konec kroužku otvorů, bez kroužku 6 otvorů, bez kroužku 36 otvorů, kroužek délka otvorů, kroužek délka ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 Délka trubky m] Obr. 6 Profil součinitele přestupu tepla podél topné trubky Na Obr. 7 jsou uvedeny profily velikosti rychlosti po výšce kanálu. Profily jsou odečteny 20 za koncem kroužku délky 15. Pro varianty bez distančního kroužku vycházejí stejné rychlostní profily. Pro variantu s kroužkem 45 je patrný vliv kroužku na rychlostní profil. Na variantě s 15 kroužkem je pak ukázáno vracení se tvaru rychlostního profilu do původního tvaru jaký je před kroužkem Rychlost [m/s] otvorů, bez kroužku 6 otvorů, bez kroužku 36 otvorů, kroužek délka otvorů, kroužek délka ,015 0,017 0,019 0,021 0,023 0,025 Průměr trubky [m] Obr. 7 Profily rychlosti po výšce kanálu

6 TechSoft Engineering & SVS FEM Na Obr. 8 jsou kontury rozložení teploty v topné trubce a kanálu mezikruhového průřezu. Obr. 8 Kontury teploty v topné trubce a mezikruhovém kanálu 5. Závěr Byly provedeny prvotní numerické simulace proudění vzduchu a sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu. Výsledky z numerické simulace nám ukazují vliv existence zjednodušené geometrie distančního kroužku na rychlostní a teplotního pole. Ukazuje se, že v místě distančního kroužku dochází k nárůstu teploty topné tyče. Vzhledem k tomu, že na realné tyči je umístěno několik distančních kroužku, dá se předpokládat, že pro větší teplotní rozdíly může docházet k deformaci topné tyče. V dalších pracích bude sledován vliv distančního kroužku o různých délkách a v různých vzdálenostech od topné trubky pro různé topné výkony a vstupní rychlosti. 6. Reference 1. Badus haq R.F.: Forced/convection heat transfer in the entrance region of pipes, Journal Hea mass transfer, Vol. 36, No. 13, pp , FLUENT 6.3, User s guide, FLUENT Inc.. 3. LINHART J.: Vliv vstupní turbulence na proudění a sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu, Výzkumná zpráva, VŠSE, KANG S., PATIL B., ZARATE J.A., ROY R.P.: Isothermal and heated turbulent upflow in a vertical annular channel part II. Numerical simulations, Journal of Heat and Mass transfer Vol. 44, , Poděkování Tato práce vznikla za finančního přispění Grantové agentury ČR v rámci post-doktorského projektu 101/08/P331.