4.5. Методика расчета конвективного теплообмена сопла-распылителя

Схематично процесс решения задачи можно представить следующим образом.

На первом этапе осуществляется построение геометрии объекта (рис. 29-31, таблица 3-5); декомпозиция расчетной области (разбивка области на подобласти) построение сетки; постановка граничных условий.

Рис. 29. Расчетная область с осевыми каналами охлаждения переменного сечения

Таблица 3

Геометрические параметры каналов охлаждения в критическом сечении (расчетная область с осевыми каналами охлаждения переменного сечения)

Параметры	, мм	, мм	, мм	, мм	, шт	, шт
Каналы охлаждения	3	1,5	22	18	8	8

Рис. 30. Расчетная область с осерадиальными каналами охлаждения переменного сечения

Таблица 4

Геометрические параметры каналов охлаждения в критическом сечении (расчетная область с осерадиальными каналами охлаждения переменного сечения)

Параметры	, мм	, мм	, мм	, мм	, шт	Расположение
Каналы охлаждения	4	1,5	26	4,5	16	30º к оси потока

Рис. 31. Расчетная область с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами

Таблица 5

Геометрические параметры каналов охлаждения в критическом сечении (расчетная область с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами)

Параметры	, мм	, мм	, шт	Расположение
Каналы охлаждения	4	30,5	16	30º к оси потока

Построение регулярной сетки для данной задачи не представляется возможным, поэтому был использован автоматический генератор сеток. Чем мельче ячейки сетки, тем более физическую картину можно ожидать от расчета. Однако создание мелкой сетки по всему объему расчетной области не является рациональным и может перегрузить оперативную память компьютера. Была построена сетка (рис. 32-37).

- расчетная область с осевыми каналами охлаждения переменного сечения: тип сетки - тетрагональная, общее количество элементов 4702732 штук;

- расчетная область с осерадиальными каналами охлаждения переменного сечения: тип сетки - тетрагональная, общее количество элементов 1022725 штук;

- расчетная область с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами: тип сетки – тетрагональная, общее количество элементов 1230000 штук.

Рис. 32. Сетка на всей поверхности расчетной области (с осевыми каналами охлаждения переменного сечения)

Рис. 33. Сетка на поверхности расчетной области (Увеличение) (с осевыми каналами охлаждения переменного сечения)

Рис. 34. Сетка на всей поверхности расчетной области (с осерадиальными каналами охлаждения переменного сечения)

Рис. 35. Сетка на поверхности расчетной области (Увеличение) (с осерадиальными каналами охлаждения переменного сечения)

Рис. 36. Сетка на поверхности расчетной области (с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами)

Рис. 37. Сетка на поверхности расчетной области (Увеличение) (с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами)

Граничные условия для заданной задачи следующие:

- на входе в расчетную область задается постоянный расход теплоносителя (таблица 1.4): , степень начальной турбулентности 5 %;

- на всех боковых поверхностях задаются условия прилипания: ;

- для турбулентных величин предполагают равенство нулю турбулентной энергии и нормальной производной скорости диссипации на стенках канала: .

- с внутренней стороны соплового аппарата со стороны парогаза задаются граничные условия 3-го рода: температура газового потока , коэффициент теплоотдачи .

На втором этапе построенная геометрия передается в решатель, после чего производится выбор настроек расчета (задание параметров расчета, свойств материалов, выбор дополнительных моделей (для моделирования турбулентности, горения и т.п.)), и производится собственно решение поставленной краевой задачи.

Таблица 6

Теплофизические свойства теплоносителя (вода)

Теплофизическая характеристика	Обозначение	Единица измерения	Значение
Плотность,		кг/м3	998,2
Коэффициент динамической вязкости		кг/(м∙с)	0,001003
Теплоемкость		Дж/(кг∙К)	4182
Коэффициент теплопроводности		Вт/(м∙К)	0,6

По результатам расчетов строятся поля давления, температур и скорости течения охладителя в каналах охлаждения критического сечения для 3-х вариантов (рис. 37-46). Здесь же принимается решение о наиболее предпочтительном варианте системы охлаждения.

Рис. 38. Поле скоростей (с осевыми каналами охлаждения переменного сечения)

Рис. 39. Поле давлений (с осевыми каналами охлаждения переменного сечения)

Рис. 40. Поле температур (с осевыми каналами охлаждения переменного сечения)

Рис. 41. Поле скоростей (с осерадиальными каналами охлаждения переменного сечения)

Рис. 42. Поле давлений (с осерадиальными каналами охлажденияпеременного сечения)

Рис. 43. Поле температур (с осерадиальными каналами охлажденияпеременного сечения)

Рис. 44. Поле скоростей (область с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами)

Рис. 45. Поле давлений (область с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами)

Рис. 46. Поле температур (область с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами)

Исходя из анализа полученных гидродинамических картин течения балластировочной воды, было принято решение о наиболее предпочтительном варианте – с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами. Такие каналы обладают наименьшим гидравлическим сопротивлением.

Кольцевые коллекторы обеспечивают равномерный сбор и распределение воды. Расположение каналов под углом к оси потока обеспечивает наилучшую степень смешения с парогазом.