3241

современных условиях, капиталовложения более, чем на 2-3 года, считаются неоправданными и рискованными;

-нехватка на рынке высокотехнологичной ремонтной базы и квалифицированных специалистов сильно затрудняет грамотный и дешевый монтаж и обслуживание данных систем;

-характерно достаточно рачительное отношение к количеству потребляемых энергоресурсов в летний период на охлаждение. Вместе с тем, ТНС можно использовать в зимний период на нагрев,

ав летний - на кондиционирование зданий, исключив установку дополнительного оборудования и снизив, тем самым, капиталовложения.

-зачастую установка дорогостоящего энергоэффективного оборудования, которым является ТНС, осуществляется в развитых странах с государственной поддержкой при использовании «зеленых тарифов» и т.д.

-установку ТНС возможно осуществить, реализуя энергосервисные контракты. Основным условием заключения данного вида договоров является страхование оказываемых услуг. Неразвитость рынка страхования услуг и отсутствие специальных законов, регулирующей этот вид взаимодействий, делает, к сожалению, невозможным их использование;

-экономический и экологический эффекты, достигаемые при внедрении ТНС, как правило, недооценены, при этом значительное сокращение вредных выбросов сказывается положительным образом на общей экологической обстановке

-незначительное внимание к использованию низкопотенциального тепла ТНС связано с недостаточной его пропагандой, что отрицательно сказывается на развитии использования передовых энергосберегающих технологий.

Литература

1.Исанова, А.В. Оптимизация работы теплонасосной пофасадной системы отопления при соблюдении требуемых параметров теплового комфорта жилых зданий / А.В. Исанова, Г.Н. Мартыненко // Научный журнал строительства и архитектуры. ‒ 2018. ‒ № 3 (51). ‒ С. 40-47.

2.Исанова, А.В. Влияние параметров работы теплонасосной установки системы теплоснабжения на выбор энергосберегающего режима ее функционирования / А.В. Исанова, Г.Н. Мартыненко,

80

В.И. Лукьяненко // Международный научно-исследовательский журнал. ‒ 2015. ‒ № 2-1 (33). ‒ С. 36-39.

3.Мартыненко, Г.Н. Анализ роли газовой отрасли в энергетике

иэкономике страны / Г.Н. Мартыненко, О.С. Поддубная, С.Н. Гнатюк // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения, 2012. ‒ № 1 (6). ‒ С. 46-49.

4.Мартыненко, Г.Н. Моделирование утечек газа из подземных газопроводов при авариях / Г.Н. Мартыненко, О.С. Поддубная // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения, 2012. ‒ № 1

(6). ‒ С. 43-45.

5.Isanova, A.V. Optimization of operation of a heat-pump facade system of heating during observance of the required parameters of thermal comfort of residential buildings / A.V. Isanova, G.N. Martynenko, A.A. Sedaev // Russian Journal of Building Construction and Architecture. ‒ 2018. ‒ № 4 (40). ‒ С. 6-14.

6.Колосов, А.И. Расчет газовых сетей населенных пунктов: учебно-методическое пособие для студентов бакалавриата направлений подготовки 08.03.01 «Строительство», 21.03.01 «Нефтегазовое дело», 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» всех форм обучения / А.И. Колосов, Г.Н. Мартыненко, С.В. Чуйкин. ‒ Воронеж. ‒ 2017. ‒ 94с.

7.Исанова, А.В. Аспекты внедрения теплонасосных систем теплоснабжения / А.В. Исанова, Г.Н. Мартыненко, В.И. Лукьяненко // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. – Вып. 16. ‒ С. 82-86.

8.Мартыненко, Г.Н. Методы снижения выбросов газа в атмосферу при проведении ремонтных работ на участках магистральных газопроводов / Г.Н. Мартыненко, И.С. Курасов, Т.О. Маслова // Градостроительство. Инфраструктура. Коммуникации. ‒ 2017. ‒ № 4 (9). ‒ С. 9-18.

9.Сидорова, В.В. Анализ переходного сопротивления изоляции при разрушающих воздействиях / В.В. Сидорова, Н.В. Забегалина, С.С. Минакова, Г.Н. Мартыненко // Градостроительство. Инфраструктура. Коммуникации. ‒ 2019. ‒ № 4 (17). ‒ С. 17-23.

81

УДК 532.542

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ТЕЧЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ПОРИСТОМ ЭЛЕМЕНТЕ

С ОДНОМЕРНОЙ ГРАДИЕНТНОЙ ПОРИСТОСТЬЮ

Н.Н. Кожухов1, Е.А. Кожухова2, Д.А. Коновалов3, Д.А. Прутских4, В.И. Перунова5

1Канд. техн. наук, nnkozhukhov@cchgeu.ru

2Инженер, kozhukhova_ea@mail.ru

3Д-р техн. наук, dmikonovalo@yandex.ru

4Канд. техн. наук, dprutskikh@cchgeu.ru

5Студент гр. бТТ-192, vika200519@mail.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Аннотация: в работе получены гидравлические характеристики пористого элемента. Причем значение пористости в нем плавно изменяется по заданному закону. Результаты расчета показывают, что данный способ приводит к увеличению скорости в области пограничного слоя по сравнению с элементом, имеющего равномерную пористость

Ключевые слова: гидродинамика, пористая среда, анизотропия, градиент

Использование пористых элементов позволяет интенсифицировать процесс теплообмена в каналах энергетических установок, например, лопаток турбин, систем охлаждения электронных компонентов, систем спутниковой связи и многих других технических устройств, к которым предъявляются требования компактности и высокой тепловой эффективности [1, 2]. Основной вклад в процесс теплообмена вносит увеличение площади поверхности теплообмена. Но в то же время это увеличивает перепад давления теплоносителя, а соответственно и расход энергии на его транспортировку. И это является одним из острых вопросов при принятии решения использования пористых элементов.

Снизить гидравлическое сопротивление в пористой среде возможно несколькими способами: использование межканальной транспирации теплоносителя, использование пористой среды с локальным или равномерным изменением тензора проницаемости [3]. В теоретических расчетах гидродинамики пористой среды

82

проницаемость зависит от пористости [4]. Поэтому определим зависимость режимов работы канала от этой величины.

Рассмотрим канал, заполненный пористой средой (рис. 1) через который течет теплоноситель. Его размеры составляют 5 40 мм. На левой границе задано граничное условие в виде постоянной скорости на входе в канал. На выходе из канала избыточное давление принимается равным нулю. Внутреннее пространство канала обладает пористостью, изменяющейся по оси ординат согласно заданной кусочной непрерывной функции (рис. 2). Эта составная функция представлена следующими

Коэффициенты в уравнениях (1) - (5) определены в рамках расположения расчетной модели в своем координатном пространстве, причем левый нижний угол соответствовал координате (1;1). Градиентный переход трех цветов на рис. 1 соответствует градиентному переходу пористости.

Рассмотрим модель ламинарного течения в пористом канале. Для математического описания это процесса будем использовать систему уравнений (Бринкмана и неразрывности) в общем виде

83

дополнительных сил.

Проницаемость определялась согласно соотношению КозениКармана по формуле

3d 2

p . (8) 180 1 2

Для получения гидравлических характеристик для построенной модели использован пакет инженерного анализа, основанный на численном решении дифференциальных уравнений. После задания указанных выше граничных условий и построения расчетной сетки выполнен расчет полей скорости и давления для скорости на входе при u 0,02 мс (рис. 3, 4).

Рис. 3. Распределение скоростей в пористом канале с var , м/с

Рис. 4. Распределение давления в пористом канале с var , Па

Из рисунков видно, что максимальная скорость наблюдается вблизи верхней и нижней границы канала (в пограничном слое), а

84

наибольшее давление – в центральной части левой границы канала, что вполне соответствует тем значениям пористости, которые определяются (1) - (5). Перепад давления, определенный средним значением на левой границе канала при этом составляет

434,67 Па.

Профиль скорости для различного расстояния от начала движения потока (5мм, 20 мм и 35 мм) остается одинаковым (рис. 5). Из графика видно, что максимальная скорость потока находится на расстоянии около 0,2 мм от верхней и нижней границ канала, а в диапазоне от 1,5 мм до 3,5 мм скорость становится почти нулевой.

Падение давления по центральной осевой линии канала представлено на рис. 6. Здесь наблюдается участок (около 1,5…2 мм), на котором оно изменяется нелинейно, что связано с высоким значением пористости в середине канала. В дальнейшем характер этой зависимости имеет линейный характер. Этот аспект связан со стабилизацией профиля скорости в пределах длины указанного участка, что и подтверждает рис. 7.

Рис. 5. Профили скорости

85

Рис. 6. Зависимость давления на осевой линии от длины канала

Рис. 7. Зависимость скорости на осевой линии от длины канала

С целью сравнения работы канала с градиентной пористостью с каналом, имеющим равномерно распределенную пористость был выполнен его расчет. Значение пористости для этого варианта определялось средним значением пористости по всему каналу с переменной пористостью, и оно составило 0,507. Начальная скорость здесь также составляла u 0,02 мс . Распределение

скоростей и давления для этого варианта представлено на рис. 8, 9.

Рис. 8. Распределение скоростей в пористом канале с const , м/с

86

Рис. 9. Распределение давления в пористом канале с const , Па

Сравнивая рис. 3 и рис. 8, видно, что в канале с var максимальная скорость потока выше в 4 раза. Кроме того, поток с максимальным значением скорости движется вблизи пограничного слоя, в то время как для канала с const максимальные значения скорости распределены равномерно по всей области. Анализируя распределение давления в двух типах каналов из рис. 4, 9 видно, что высокие значения давления находятся в начальном участке для канала с var и на участке, составляющим около 30 % от длины для канала с const . При этом максимальные значения давлений для канала с var меньше почти в два раза, чем у канала с

const .

Для сравнения режимных гидравлических характеристик каналов обоих типов получим зависимость гидравлического

сопротивления от критерия Рейнольдса Re . Для этого

рассчитаем несколько режимов, соответствующих ряду значений начальной скорости. При этом величины и Re определим по

следующим формулам

способом указанном выше. Графики полученных зависимостей представлены на рис. 10.

87

Рис. 10. Зависимость гидравлического сопротивления от критерия Рейнольдса для каналов с различным типом пористости

График показывает, что сопротивление канала с градиентной пористостью обладает меньшим сопротивлением при одном и том же режиме течения. Следовательно, для транспортировки потока потребуются меньшие затраты энергии.

Результаты проведенного исследования позволяют сделать следующие выводы. С точки зрения гидродинамики, элементы, имеющие изменяемую пористость имеют следующие преимущества: возможность направления потока в требуемые локальные области; высокие скорости в локальных областях, что будет способствовать интенсификации теплообмена; низкое гидравлическое сопротивление и, как следствие, меньшие затраты на прокачку потока. Несмотря не перечисленные преимущества существует ряд задач, которые пока еще не позволяют широко использовать элементы с градиентной пористостью. Таковыми являются: технология производства пористых каналов с изменяемыми характеристиками; небольшое количество исследований процесса теплообмена; отсутствие единой модели для создания переменной пористости и других свойств (проницаемости, теплопроводности и т.д.) для конкретных изменяемых условий. Несомненно, что указанные задачи послужат импульсом для дальнейших многочисленных научноисследовательских и опытно-конструкторских разработок.

88

Литература

1.Коновалов, Д.А. Разработка и моделирование микроканальных систем охлаждения / Д.А. Коновалов, И.Г. Дроздов, Д.П. Шматов, С.В. Дахин, Н.Н. Кожухов. – Воронеж: ВГТУ, 2013. – 222 с.

2.Коновалов, Д.А. Моделирование процессов тепломассопереноса в микроканальных теплообменниках систем управления космической техники / Д.А. Коновалов, Н.Н. Кожухов, И.Г. Дроздов // Вестник сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. – 2016. - Т. 17. – № 1. – С. 137-146.

3.Коновалов, Д.А. Разработка методов интенсификации теплообмена в микроканальных теплообменниках гибридных систем термостабилизации / Д.А. Коновалов, И.Н. Лазаренко, Н.Н. Кожухов, И.Г. Дроздов // Вестник воронежского государственного технического университета. – 2016. – Т. 12. – № 3. – С. 21-30.

4.Carman, P.C. Fluid flow through granular beds / Carman P.C // Chemical Engineering Research and Design. – 1997. – V. 75. – Supplement. – pp. S32-S48. https://doi.org/10.1016/S0263- 8762(97)80003-2.

89