Физическое моделирование аэродинамических характеристик потока в вертикальном диффузоре при подаче воздуха через разные конфигурации трубок

   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 является
актуальной задачей для газодинамического совершенствования и поиска способов управления характеристиками потоков.

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

   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. 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. 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.

1. Japikse D., Baines N. C. Diffuser Design Technology. Norwich, VT: Concepts ETI, 1998. 524 p.

2. Идельчик И. Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. (Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). Москва: Машиностроение, 1983. 351 с.

3. Emmons H. W. Fundamentals of gas dynamics. New Jersey: Princeton University Press, 2015. 783 p.

4. Hirsch C. Numerical Computation of Internal and External Flows: The Fundamentals of Computational Fluid Dynamics. UK: Charles Hirsch, 2007. 696 p.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Keep J. A., Head A. J., Jahn I. H. Design of an efficient space constrained diffuser for supercritical C0₂ turbines // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 821 (1). Article number 012026.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.