probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2023-25-2-187-200probener-2625Research ArticleТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКАTHEORETICAL AND APPLIED HEAT ENGINEERINGФизическое моделирование аэродинамических характеристик потока в вертикальном диффузоре при подаче воздуха через разные конфигурации трубокPhysical simulation of aerodynamic flow characteristics in a vertical diffuser with air supply through different pipe configurationshttps://orcid.org/0000-0002-4481-3607ПлотниковЛ. В.PlotnikovL. V.

Леонид Валерьевич Плотников, д-р техн. наук, профессор

кафедра «Турбины и двигатели»

Екатеринбург

Leonid V. Plotnikov

Ekaterinburg

leonplot@mail.ruРыжковА. Ф.RyzhkovA. F.

Александр Филиппович Рыжков, д-р техн. наук, профессор

кафедра «Тепловые электрические станции»

Екатеринбург

Alexander F. Ryzhkov

Ekaterinburg

af.rvzhkov@mail.ruМедведевВ. А.MedvedevV. A.

Валерий Андреевич Медведев, бакалавр

Екатеринбург

Valery A. Medvedev

Ekaterinburg

warhammer_valera@mail.ruСмирныхМ. Д.SmirnykhM. D.

Михаил Дмитриевич Смирных, бакалавр

Екатеринбург

Mikhail D. Smirnykh

Ekaterinburg

mihail300401@gmail.comОсиповЛ. Е.OsipovL. E.

Леонид Евгеньевич Осипов, аспирант

кафедра «Турбины и двигатели»

Екатеринбург

Leonid E. Osipov

Ekaterinburg

klumbaa@outlook.comУральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»РоссияUral Federal University named after the first President of Russia B. N. YeltsinRussian Federation202309062023252187200Copyright © Плотников Л.В., Рыжков А.Ф., Медведев В.А., Смирных М.Д., Осипов Л.Е., 20232023Плотников Л.В., Рыжков А.Ф., Медведев В.А., Смирных М.Д., Осипов Л.Е.Plotnikov L.V., Ryzhkov A.F., Medvedev V.A., Smirnykh M.D., Osipov L.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/2625   АКТУАЛЬНОСТЬ

   АКТУАЛЬНОСТЬ. Вертикальные конические диффузоры применяются в различных технических приложениях: теплообменные аппараты, газоочистные агрегаты, котлы, промышленные печи, сушильные установки, вентиляционные устройства, системы форсунок и другие. Для их эффективной эксплуатации необходимо обеспечивать равномерный подвод рабочей среды в устройство, что определяется особенностями течения вдиффузоре. Таким образом, изучение аэродинамики технологических устройств с коническими диффузорами являетсяактуальной задачей для газодинамического совершенствования и поиска способов управления характеристиками потоков.

   ЦЕЛЬ

   ЦЕЛЬ. На основе экспериментальных данных о мгновенных значениях скорости потока воздуха установить эволюцию поля скоростей по высоте цилиндрической части диффузора для разных конфигураций подающихтрубок, а также определить величину изменения интенсивности турбулентности по высоте диффузора при разных начальных условиях.

   МЕТОДЫ

   МЕТОДЫ. Измерение мгновенных значений скорости потока воздуха осуществляется с помощью термоанемометра постоянной температуры. В статье получены данные о полях скоростей и интенсивности турбулентности по высоте и вдоль диаметра цилиндрической части диффузора при подаче воздуха через трубки разных конфигураций. Использовались подающие трубки с поперечными сечениями в форме круга, квадрата и равностороннего треугольника.

   РЕЗУЛЬТАТЫ

   РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье дано подробное описание экспериментального стенда (включая ключевые геометрические размеры), приборно-измерительной системы и методики обработки данных. Представлены диапазоны изменения начальных условий для проведения опытов. Производится сравнение аэромеханических характеристик потоков в вертикальном диффузоре при подаче воздуха через разные конфигурации трубок.

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Показано, что в диффузоре имеет место падение средней скорости вверх по течению, что характерно для всех конфигураций подающих трубок. Установлено, что профилированные трубки оказывают влияние на форму поля скоростей. Выявлено, что значения интенсивности турбулентности изменяются от 0,05 до 0,39 (наибольшие значения характерны при подаче воздуха через профилированные трубки). Показано, что интенсивность турбулентности имеет максимальные значения на высоте 300-350 мм, что характерно для всех исследуемых конфигураций трубок.

   RELEVANCE

   RELEVANCE. Vertical cone diffusers are used in various technical applications: heat exchangers, gas cleaning units, boilers, industrial furnaces, dryers, ventilation devices, nozzle systems and others. For their efficient operation, it is necessary to ensure a uniform supply of the working medium to the device, which is determined by the characteristics of the flow in thediffuser. Thus, the study of the aerodynamics of technological devices with conical diffusers is an urgent task for gas-dynamic improvement and the search for ways to control flow characteristics.

   THE PURPOSE

   THE PURPOSE. To establish the evolution of the velocity field along the height of the cylindrical part of the diffuser for different configurations of the supply tubes, and also to determine the magnitude of the change in the intensity of turbulence along the height of the diffuser under different initial conditions based on experimental data on the instantaneous values of the air flow velocity.

   METHODS

   METHODS. Measurement of instantaneous values of air flow velocity is carried out using a constant temperature hot-wire anemometer. The article provides data on velocity fields and turbulence intensity along the height and along the diameter of the cylindrical part of the diffuser when air is supplied through tubes of different configurations. Feed tubes with cross sections in the form of a circle, a square and an equilateral triangle were used.

   RESULTS

   RESULTS. The article provides a detailed description of the experimental stand (including key geometric dimensions), instrumentation and measurement system, and data processing techniques. The ranges of changes in the initial conditions for the experiments are presented. A comparison of the aeromechanical characteristics of flows in a vertical diffuser when air issupplied through different tube configurations is carried out. CONCLUSION. It is shown that in the diffuser there is a drop in the average velocity upstream, which is typical for all configurations of the supply tubes. It has been established that profiled tubes influence the shape of the velocity field. It was found that the values of turbulence intensity vary from 0.05 to 0.39 (the highest values were typical when air was supplied through profiled tubes). It is shown that the intensity of turbulence has its maximum values at a height of 300-350 mm, which is typical for all investigated tube configurations.

вертикальный конический диффузораэродинамикастационарный потокпрофилированные трубкиполе скоростейинтенсивность турбулентностиэмпирические закономерностиvertical cone diffuseraerodynamicsstationary flowprofiled tubesvelocity fieldturbulence intensityempirical regularitiesReferencesJapikse D., Baines N. C. Diffuser Design Technology. Norwich, VT: Concepts ETI, 1998. 524 p.Japikse D., Baines N. C. Diffuser Design Technology. Norwich, VT: Concepts ETI, 1998. 524 p.Идельчик И. Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. (Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). Москва: Машиностроение, 1983. 351 с.Idelchik, I. E. Aerohydrodynamics of technological apparatuses (Inlet, outlet and distribution of the flow over the cross section of the devices). Moscow: Mashinostroenie, 1983. 351 p.Emmons H. W. Fundamentals of gas dynamics. New Jersey: Princeton University Press, 2015. 783 p.Emmons HW. Fundamentals of gas dynamics. New Jersey: Princeton University Press, 2015. 783p.Hirsch C. Numerical Computation of Internal and External Flows: The Fundamentals of Computational Fluid Dynamics. UK: Charles Hirsch, 2007. 696 p.Hirsch C. Numerical Computation of Internal and External Flows: The Fundamentals of Computational Fluid Dynamics. UK: Charles Hirsch, 2007. 696 p.Yavuz M., Sene N. Approximate solutions of the model describing fluid flow using generalized p-laplace transform method and heat balance integral method // Axioms. 2020. V. 9 (4) -123. P. 1-18.Yavuz M., Sene N. Approximate solutions of the model describing fluid flow using generalized p-laplace transform method and heat balance integral method // Axioms. 2020. V. 9 (4) -123. P. 1-18.Xiao Y., Yue F., Wang X., Zhang X. Reliability-Based Design Optimization of Structures Considering Uncertainties of Earthquakes Based on Efficient Gaussian Process Regression Metamodeling// Axioms. 2022. V. 11 (2). Article number 81.Xiao Y., Yue F., Wang X., Zhang X. Reliability-Based Design Optimization of Structures Considering Uncertainties of Earthquakes Based on Efficient Gaussian Process Regression Metamodeling// Axioms. 2022. V. 11 (2). Article number 81.Klein A. Effects of inlet conditions on conical-diffuser performance 11 Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME. 1981. Vol. 103 (2). P. 250-257.Klein A. Effects of inlet conditions on conical-diffuser performance 11 Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME. 1981. Vol. 103 (2). P. 250-257.Jeyachandran K., Ganesan V. Numerical modelling of turbulent flow through conical diffusers with uniform and wake velocity profdes at the inlet // Mathematical and Computer Modelling. 1988. V. 10 (2). P. 87-97.Jeyachandran K., Ganesan V. Numerical modelling of turbulent flow through conical diffusers with uniform and wake velocity profdes at the inlet // Mathematical and Computer Modelling. 1988. V. 10 (2). P. 87-97.Okwuobi P. A. C., Azad R. S. Turbulence in a conical diffuser with fully developed flow at entry // Journal of Fluid Mechanics. 1973. V. 57 (3). P. 603-622.Okwuobi P. A. C., Azad R. S. Turbulence in a conical diffuser with fully developed flow at entry // Journal of Fluid Mechanics. 1973. V. 57 (3). P. 603-622.Ferrari A. Exact solutions for quasi-one-dimensional compressible viscous flows in conical nozzles // Journal of Fluid Mechanics. 2021. V. 915. Article number 915A1-1.Ferrari A. Exact solutions for quasi-one-dimensional compressible viscous flows in conical nozzles // Journal of Fluid Mechanics. 2021. V. 915. Article number 915A1-1.Lee J., Jang S. J., Sung H. J. Direct numerical simulations of turbulent flow in a conical diffuser // Journal of Turbulence. 2012. V. 13. P. 1-29.Lee J., Jang S. J., Sung H. J. Direct numerical simulations of turbulent flow in a conical diffuser // Journal of Turbulence. 2012. V. 13. P. 1-29.Wu X., Schluter J., Moin P., Pitsch H., Iaccarino G., Ham F. Computational study on the internal layer in a diffuser // Journal of Fluid Mechanics. 2006. V. 550. P. 391-412.Wu X., Schluter J., Moin P., Pitsch H., Iaccarino G., Ham F. Computational study on the internal layer in a diffuser // Journal of Fluid Mechanics. 2006. V. 550. P. 391-412.De Souza F. J., Silva A. L., Utzig J. Four-way coupled simulations of the gas-particle flow in a diffuser // Powder Technology. 2014. V. 253. P. 496-508.De Souza F. J., Silva A. L., Utzig J. Four-way coupled simulations of the gas-particle flow in a diffuser // Powder Technology. 2014. V. 253. P. 496-508.Zou A., Chassaing J.-C., Li W., Gu Y., Sauret E. Quantified dense gas conical diffuser performance under uncertainties by flow characteristic analysis // Applied Thermal Engineering. 2019. V. 161. Article number 114158.Zou A., Chassaing J.-C., Li W., Gu Y., Sauret E. Quantified dense gas conical diffuser performance under uncertainties by flow characteristic analysis // Applied Thermal Engineering. 2019. V. 161. Article number 114158.Dong B., Xu G., Li T., Quan Y., Zhai L., Wen J. Numerical prediction of velocity coefficient for a radial-inflow turbine stator using R123 as working fluid // Applied Thermal Engineering. 2018. V. 130. P. 1256-1265.Dong B., Xu G., Li T., Quan Y., Zhai L., Wen J. Numerical prediction of velocity coefficient for a radial-inflow turbine stator using R123 as working fluid // Applied Thermal Engineering. 2018. V. 130. P. 1256-1265.Kim D.-Y., Kim Y.-T. Preliminary design and performance analysis of a radial inflow turbine for organic Rankine cycles // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 120. P. 549-559.Kim D.-Y., Kim Y.-T. Preliminary design and performance analysis of a radial inflow turbine for organic Rankine cycles // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 120. P. 549-559.From C. S., Sauret E., Armfield S. W., Saha S. C., Gu Y. T. Turbulent dense gas flow characteristics in swirling conical diffuser // Computers and Fluids. 2017. V. 149. P. 100-118.From C. S., Sauret E., Armfield S. W., Saha S. C., Gu Y. T. Turbulent dense gas flow characteristics in swirling conical diffuser // Computers and Fluids. 2017. V. 149. P. 100-118.Keep J. A., Head A. J., Jahn I. H. Design of an efficient space constrained diffuser for supercritical C0<sub>2</sub> turbines // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 821 (1). Article number 012026.Keep J. A., Head A. J., Jahn I. H. Design of an efficient space constrained diffuser for supercritical C0<sub>2</sub> turbines // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 821 (1). Article number 012026.Wang W.-B., Zheng L.-X., Lu W., et al. Study on Structural Design Optimization of Ejector Expansion Chamber // Journal of Engineering Thermophysics. 2021. V. 42 (2). P. 309-313.Wang W.-B., Zheng L.-X., Lu W., et al. Study on Structural Design Optimization of Ejector Expansion Chamber // Journal of Engineering Thermophysics. 2021. V. 42 (2). P. 309-313.Sierra-Pallares J., Garcia del Valle J., Paniagua J. M., Garcia J., Mendez-Bueno C., Castro F. Shape optimization of a long-tapered R134a ejector mixing chamber // Energy. 2018. V. 165 (A). P. 422-438.Sierra-Pallares J., Garcia del Valle J., Paniagua J. M., Garcia J., Mendez-Bueno C., Castro F. Shape optimization of a long-tapered R134a ejector mixing chamber // Energy. 2018. V. 165 (A). P. 422-438.Maicke B. A., Bondarev G. Quasi-one-dimensional modeling of pressure effects in supersonic nozzles // Aerospace Science and Technology. 2017. V. 70. P. 161-169.Maicke B. A., Bondarev G. Quasi-one-dimensional modeling of pressure effects in supersonic nozzles // Aerospace Science and Technology. 2017. V. 70. P. 161-169.Vinod L., Mahendra M. A., Mahantayya K. H. The cfd analysis of subsonic flow around struts of airfoil and cylindrical shape attached to a conical diffuser at exhaust of a gas turbine engine // International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development. 2019. V. 9 (4). P. 943-954.Vinod L., Mahendra M. A., Mahantayya K. H. The cfd analysis of subsonic flow around struts of airfoil and cylindrical shape attached to a conical diffuser at exhaust of a gas turbine engine // International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development. 2019. V. 9 (4). P. 943-954.Moszowski B., Wajman T., Sobczak K., Inger M., Wilk M. The analysis of distribution of the reaction mixture in ammonia oxidation reactor // Polish Journal of Chemical Technology. 2019. V. 21 (1). P. 9-12.Moszowski B., Wajman T., Sobczak K., Inger M., Wilk M. The analysis of distribution of the reaction mixture in ammonia oxidation reactor // Polish Journal of Chemical Technology. 2019. V. 21 (1). P. 9-12.Huang Y., Coggon M. M., Zhao R., Lignell H., Bauer M. U., Flagan R. C., Seinfeld J. H. The Caltech Photooxidation Flow Tube reactor: Design, fluid dynamics and characterization // Atmospheric Measurement Techniques. 2017. V. 10 (3). P. 839-867.Huang Y., Coggon M. M., Zhao R., Lignell H., Bauer M. U., Flagan R. C., Seinfeld J. H. The Caltech Photooxidation Flow Tube reactor: Design, fluid dynamics and characterization // Atmospheric Measurement Techniques. 2017. V. 10 (3). P. 839-867.Keshavarz E., Toghraie D., Haratian M. Modeling industrial scale reaction furnace using computational fluid dynamics: A case study in Ilam gas treating plant // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 123. P. 277-289.Keshavarz E., Toghraie D., Haratian M. Modeling industrial scale reaction furnace using computational fluid dynamics: A case study in Ilam gas treating plant // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 123. P. 277-289.Plotnikov L., Plotnikov I., Osipov L., Slednev V., Shurupov V. An Indirect Method for Determining the Local Heat Transfer Coefficient of Gas Flows in Pipelines // Sensors. 2022. V. 22 (17). Article number 6395.Plotnikov L., Plotnikov I., Osipov L., Slednev V., Shurupov V. An Indirect Method for Determining the Local Heat Transfer Coefficient of Gas Flows in Pipelines // Sensors. 2022. V. 22 (17). Article number 6395.Plotnikov L. V. Thermal-mechanical characteristics of stationary and pulsating gas flows in a gas-dynamic system (in relation to the exhaust system of an engine) // Thermal Science. 2022. V. 26 (1A). P. 365-376.Plotnikov L. V. Thermal-mechanical characteristics of stationary and pulsating gas flows in a gas-dynamic system (in relation to the exhaust system of an engine) // Thermal Science. 2022. V. 26 (1A). P. 365-376.Плотников Л. В., Бродов Ю. М., Жилкин Б. П., и др. Физическое и численное моделирование тепломеханических характеристик стационарных потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателей // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 5. С.22-28.Plotnikov L. V., Brodov Y. M., Zhilkin B. P., et al. Physical and numerical simulation of the thermal and mechanical characteristics of stationary flows in the gas-air paths of piston engines. Power engineering: research, equipment, technology. 2019; 21 (5): 22-28.Плотников Л. В., Жилкин Б. П., Бродов Ю. М. Влияние поперечного профилирования впускных и выпускных трубопроводов поршневых двигателей на тепломеханические характеристики потоков // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2017. № 1-2. С. 119-126.Plotnikov L. V., Zhilkin B. P., Brodov Y. M. Influence of transverse profiling of intake and exhaust pipelines of piston engines on the thermal and mechanical characteristics of flows. Power engineering: research, equipment, technology. 2017; 1 (2): 119-126.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.