DOI: 10.17586/2226-1494-2017-17-3-514-524


ТЕПЛООБМЕН В КАВЕРНЕ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ДИСКОМ В ТУРБУЛЕНТНОМ РЕЖИМЕ

Волков К. Н., Булат П. В., Волобуев И. А., Пронин В. А.


Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Волков К.Н., Булат П.В., Волобуев И.А., Пронин В.А. Теплообмен в каверне с вращающимся диском в турбулентном режиме // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 3. С. 514–524. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-3-514-524

Аннотация

Предмет исследования.Рассмотрено решение задачи о турбулентном течении в каверне с вращающимися диском, которое является моделью двухстороннего упорного осевого подшипника, а также других важных элементов турбомашин, например, лабиринтных уплотнений лопаточного венца ступени осевого компрессора. Метод исследования. Характеристики течения и теплообмена исследованы в зависимости от относительной величины зазора между неподвижным корпусом и вращающимся диском и значения числа Рейнольдса. Проведено сравнение локальных и интегральных характеристик потока, полученных на основе различных моделей турбулентности, с данными физического эксперимента. Основные результаты. Структура течения и характеристики теплообмена исследованы в зависимости от относительной величины зазора между неподвижным корпусом и вращающимся диском и значения числа Рейнольдса. Сравнение локальных и интегральных характеристик потока с данными физического эксперимента показало, что наилучшее согласование дает применение k–ε модели с поправками Като–Лаундера для члена производства турбулентности и поправками на кривизну линий тока, а также двухслойная k–ε/k–l модель турбулентности. Применение модели турбулентности Спаларта–Аллмареса и модели переноса рейнольдсовых напряжений приводит к существенным погрешностям при расчете распределения теплового потока по поверхности статора. Практическая значимость. Рассмотренная задача является модельной и позволяет сделать вывод о применимости тех или иных моделей течения и моделей турбулентности в таких узлах компрессорной и газотурбинной техники, как уплотнения лопаточного венца, осевые и радиальные газовые и жидкостные подшипники, вращающиеся теплообменники.


Ключевые слова: газодинамика, численные методы, модели турбулентности, турбомашины

Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение № 14.578.21.0203, уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57816X0203).

Список литературы
1.     Daily J.W., Nece R. Chamber dimension effects on induced flow and frictional resistance of enclosed rotating discs // ASME Journal of Basic Engineering. 1960. V. 82. P. 217–232.
2.     Owen J.M., Rogers R.H. Flow and Heat Transfer in Rotating-Disc Systems. V. 2. Rotating Cavities. Research Studies Press, Taunton, 1995. 295 p.
3.     Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 712 с.
4.     Harmand S., Watel B., Desmet B. Local convective heat exchanges from a rotor facing a stator // International Journal of Thermal Sciences. 2000. V. 39. N 3. P. 404–413.
5.     Djaoui M., Dyment A., Debuchy R. Heat transfer in a rotor–stator system with a radial inflow // European Journal of Mechanics. B/Fluids. 2001. V. 20. N 3. P. 371–398. doi: 10.1016/S0997-7546(01)01133-5
6.     Debuchy R., Dyment A., Muhe H., Micheau P. Radial inflow between a rotating and a stationary disc // European Journal of Mechanics. B/Fluids. 1998. V. 17. N6. P. 791–810.
7.     Beretta G.P., Malfa E. Flow and heat transfer in cavities between rotor and stator disks // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2003. V. 46. N15. P. 2715–2726.doi: 10.1016/S0017-9310(03)00065-6
8.     Шевчук И.В. Турбулентный теплообмен вращающегося диска при постоянной температуре или плотности теплового потока на стенке // ТВТ. 2000. Т. 38. № 3. С. 521–523.
9.     Iacovides H., Toumpanakis P. Turbulence modeling of flow in axisymmetric rotor-stator systems // Proc. 5th Int. Symposium on Refined Flow Modelling and Turbulence Measurements. Paris, 1993. P. 383–390.
10.  Morse A.P. Numerical prediction of turbulent flow in rotating cavities // Journal of Turbomachinery. 1988. V. 110. N 2. P. 202–212.
11.  Yuan Z.X., Saniei N., Yan X.T. Turbulent heat transfer on the stationary disk in a rotor–stator system // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2003. V. 46. N 12. P. 2307–2218. doi: 10.1016/S0017-9310(02)00525-2
12.  Elena L., Schiestel R. Turbulence modeling of rotating confined flows // International Journal of Heat Fluid Flow. 1996. V. 17. N 3. P. 283–289. doi: 10.1016/0142-727X(96)00032-X
13.  Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows // Computational Methods in Applied Mechanics Engineering. 1974. V. 3. N 2. P. 269–289. doi: 10.1016/0045-7825(74)90029-2
14.  Kato M., Launder B.E. The modelling of turbulent flow around stationary and vibrating square cylinders // Proc. 9th Symposium on Turbulent Shear Flows. Kyoto, 1993. V. 9. P. 10.4.1–10.4.6.
15.  Leschziner M.A., Rodi W. Calculation of annular and twin parallel jets using various discretization schemes and turbulent-model variations // Journal of Fluid Engineering.1981. V. 103. N 2. P. 353–360. doi: 10.1115/1.3241745 
16.  Rodi W. Experience with two-layer models combining the  model with one-equation model near wall // Proc. 29th Aerospace Science Meeting. 1991. No. 91-0216. doi: 10.2514/6.1991-216
17.  Wolfshtein M. The velocity and temperature distribution of one-dimensional flow with turbulence augmentation and pressure gradient // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1969. V. 12. N 3. P. 301–318.
18.  Wilcox D.C. A two-equation turbulence model for wall-bounded and free-shear flows // AIAA Paper. 1993. N 93-2905.
19.  Spalart P.R., Allmaras S.R. A one equation turbulence model for aerodynamic flows // AIAA Paper. 1992. N 92-0439. doi: 10.2514/6.1992-439 
20.  Dacles-Mariani J., Zilliac G.G., Chow J.S., Bradshaw P. Numerical/experimental study of a wingtip vortex in the near field // AIAA Journal. 1995. V. 33. N9. P. 1561–1568. doi: 10.2514/3.12826
21.  Deck S., Duveau P., d'Espiney P., Guillen P. Development and application of Spalart–Allmaras one-equation turbulence model to three-dimensional supersonic complex configurations // Aerospace Science and Technology. 2002. V. 6. N 3. P. 171–183. doi: 10.1016/S1270-9638(02)01148-3
22.  Jones W.P., Musonge P. Closure of the Reynolds stress and scalar flux equations // Physics of Fluids. 1988. V. 31. N 12. P. 3589–3604.doi: 10.1063/1.866876
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика