Численное моделирование теплогазодинамических процессов в инфракрасном нагревателе с некруглой трубой


ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА


МЕХАНИКА

МЕХАНИКА

УДК 536.3, 532.517



2009. Вып. 4

© М. С. Вологдина

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В ИНФРАКРАСНОМ НАГРЕВАТЕЛЕ С НЕКРУГЛОЙ ТРУБОЙ


Рассматривается сопряженная задача теплообмена, которая возникает при расчете параметров инфракрасного нагревателя. Приводится постановка задачи для трехмерного турбулентного течения в трубе излучателя с учетом наличия лучистого теплообмена с отражателем и внешнего теплообмена с окружающей средой. Проведен расчет для поставленной задачи.

Ключевые слова: сопряженная задача теплообмена, уравнения теплового баланса, система уравнений Навье-Стокса.


   При моделировании сложных газодинамических процессов часто приходится сталкиватвся с такими трудностями, как криволинейности области расчета, необходимость совместного учета различных процессов, сложность задания начальных или граничных условий, которые приводят к усложнению математической модели, описывающей тот или иной процесс. Чем сложнее и объемнее построенная математическая модель, тем труднее она в реализации. По этой причине становится весьма актуальной задача разработки методики, позволяющей рассчитывать подобные модели. Методика численного расчета, предлагаемая в данной статье, не претендует на общность, но позволяет учесть взаимное влияние газодинамических процессов и процессов теплообмена, протекающих в инфракрасном нагревателе.
   В рамках данной статьи рассматривается конструкция инфракрасного нагревателя, состоящая из излучателя, испускающего лучистую энергию, и отражателя, располагающегося над излучающими трубами, для направления теплового потока с верхней стенки трубы в рабочую зону. Излучатель представляет собой трубу некруглого сечения, будем считать его полуокружностью (рис. 1), что позволит ввести цилиндрическую систему координат.

Рис. 1. Схема инфракрасного излучателя.

   При построении математической модели принимаются следующие допущения [1, 2]:
   1)    число Маха рассматриваемого течения M < 0,1 , поэтому допустимо полную энергию газа определять только температурой, а плотность— уравнением состояния идеального газа;
   2)    отсутствие объемных сил;
   3)    лучистое тепло не поглощается воздухом.
   Гидродинамические процессы, протекающие в трубе-излучателе инфракрасного нагревателя, описываются с учетом принятых допущений следующей системой дифференциальных уравнений в частных производных:


Fx + Gr + E^ = P + Rx + Hᵣ + M^ + S,

(1)