Численное исследование теплоотдачи стенки титанового реактора при воздушном охлаждении

  • Тимофей Олегович Карасев Пермский национальный исследовательский политехнический университет; Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Андрей Сергеевич Теймуразов Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Анатолий Викторович Перминов Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Ключевые слова: вынужденная конвекция, турбулентность, коэффициент теплоотдачи, RANS, численное моделирование, OpenFOAM

Аннотация

Работа посвящена численному изучению теплового режима поверхности реторты в аппарате для производства титана. Рассматривается задача сопряженного теплообмена между стенкой цилиндрической реторты и стенкой печи с нагревателями. Между стенками находится зазор, через который прокачивается воздух. Целью работы является получение оценок для температурного режима стенки реторты и коэффициента теплоотдачи с ее поверхности при различных режимах нагрева и охлаждения аппарата. Данные о распределении тепловых потоков на стенках реторты необходимы для расчета турбулентных конвективных течений жидкого магния внутри реторты, поскольку неоднородность температуры может оказывать существенное влияние на процессы, происходящие у нее внутри. Расчетная область состоит из твердых стенок, между которыми движется воздух. Математическая модель основывается на системе нестационарных уравнений Навье-Стокса в осесимметричной постановке с применением RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes equations) подхода к описанию турбулентных полей. Модель позволяет наряду с механизмами вынужденной конвекции и теплопроводности учитывать также и радиационный теплообмен между двумя противоположными стенками. Изучаются четыре варианта нагрева, возможные при работе реактора. Получены оценки для необходимой скорости обдува, при которой удается сохранять нагрев стенки реторты в рабочем диапазоне от 750 до 950ºС во всех режимах. Показано, что температура вдоль исследуемого участка стенки реторты неоднородна. Для коэффициента теплоотдачи с боковой поверхности реторты построены зависимости от вертикальной координаты и проведено их сопоставление с известной формулой расчета коэффициента теплоотдачи от плоской бесконечной поверхности с постоянным тепловым потоком через нее. Установлено, что в обсуждаемом случае, который является более сложным, рассчитанные значения коэффициентов оказались близки к предсказываемым известными инженерными формулами значениям только в части исследованных режимов. Обнаружено, что в значительном диапазоне рассматриваемых параметров наблюдаются заметные отличия полученных зависимостей от упрощенных оценок. Наибольшая разница имеет место вблизи входа в канал, где градиенты температуры максимальны.

Литература


  1. Гармата В.А., Петрунько А.Н., Галицкий Н.В., Олесов Ю.Г., Сандлер Р.А. Титан. М.: Металлургия, 1983. 559 с.

  2. Гармата В.А., Гуояницкий Б.С., Крамник В.Ю., Липкес Я.М., Серяков Г.В., Сучков А.Б., Хомяков П.П. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1968. 643 с.

  3. Сергеев В.В., Галицкий Н.В., Киселев В.П., Козлов В.М. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1971. 320 с.

  4. Мальшин В.М., Завадовская В.Н., Пампушко Н.А. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1991. 208 с.

  5. Халилов Р.И., Хрипченко С.Ю., Фрик П.Г., Степанов Р.А. Электромагнитные измерения уровня жидкого металла в замкнутых объемах // Измерительная техника. 2007. № 8. С. 41-44. (English version https://doi.org/10.1007/s11018-007-0163-7)

  6. Krauter N., Eckert S., Gundrum T., Stefani F., Wondrak T., Frick P., Khalilov R., Teimurazov A. Inductive system for reliable magnesium level detection in a titanium reduction reactor // Metall. Mater. Trans. B. 2018. Vol. 49. P. 2089-2096. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1291-y

  7. Тарунин Е.Л., Шихов В.М., Юрков Ю.С. Свободная конвекция в цилиндрическом сосуде при заданном тепловом потоке на верхней границе // Гидродинамика. 1975. Вып. 6. С. 85-98.

  8. Цаплин А.И., Нечаев В.Н. Численное моделирование неравновесных процессов тепломассопереноса в реакторе для получения пористого титана // Вычисл. мех. сплош. сред. 2013. Т. 6, № 4. С. 483-490. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2013.6.4.53

  9. Теймуразов А.С., Фрик П.Г. Численное исследование конвекции расплавленного магния в аппарате восстановления титана // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 4. С. 433-444. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.4.37

  10. Teimurazov A., Frick P., Stefani F. Thermal convection of liquid metal in the titanium reduction reactor // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 208. 012041. https://doi.org/10.1088/1757-899X/208/1/012041

  11. Карасев Т.О., Теймуразов А.С. Моделирование турбулентной конвекции жидкого магния в аппарате восстановления титана в рамках подходов RANS и LES // Вычисл. мех. сплош. сред. 2019. Т. 12, № 4. С. 353-365. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.4.30

  12. Teimurazov A., Frick P., Weber N., Stefani F. Numerical simulations of convection in the titanium reduction reactor // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. Vol. 891. 012076. https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012076

  13. Khalilov R., Kolesnichenko I., Teimurazov A., Mamykin A., Frick P. Natural convection in a liquid metal locally heated from above // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 208. 012044. https://doi.org/10.1088/1757-899X/208/1/012044

  14. Широков М.Ф. Физические основы газодинамики. М.: Физматгиз, 1958. 341 с.

  15. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоатомиздат, 1990. 368 c.

  16. Федоров В.К. Инженерный метод расчета конвективного теплообмена при безотрывном обтекании тел газовым потоком // ИФЖ. 1965. T. 8, № 2. С. 198-203. (English version https://doi.org/10.1007/BF00829051)

  17. Bergman T.L., Lavine, A.S., Incropera F.P., DeWitt, D.P. Introduction to Heat Transfer, 6th Edition. John Wiley & Sons. 2011. 962 p.

  18. Modest M.F. The improved differential approximation for radiative heat transfer in multi-dimensional media // J. Heat Transfer. 1990. Vol. 112. P. 819-821. https://doi.org/10.1115/1.2910468

  19. Howell J.R. A catalog of radiation configuration factors. McGraw-Hill, 1982. 243 p.

  20. Howell J.R., Menguc M.P., Siegel R. Thermal Radiation Heat Transfer. Taylor & Francis, 2015. 1016 p. https://doi.org/10.1201/b18835

  21. Marshak R.E. Note on the spherical harmonics method as applied to the Milne problem for a sphere // Phys. Rev. 1947. Vol. 71. P. 443-446. https://doi.org/10.1103/PhysRev.71.443

  22. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. Vol 32.
    P. 1598-1610. https://doi.org/10.2514/3.12149

  23. Pope S.B. Turbulent flows. Cambridge University Press, 2000. 771 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511840531

  24. Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ. Справочник. СПб.: СПбГАХПТ, 1999. 320 с.

  25. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

  26. Issa R.I. Solution of the implicitly discretized fluid flow equations by operator-splitting // J. Comput. Phys. 1985. Vol. 62. P. 40-65. https://doi.org/10.1016/0021-9991(86)90099-9

Опубликован
2020-12-30
Как цитировать
Карасев, Т. О., Теймуразов, А. С., & Перминов, А. В. (2020). Численное исследование теплоотдачи стенки титанового реактора при воздушном охлаждении. Вычислительная механика сплошных сред, 13(4), 424-436. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.4.33
Раздел
Статьи