blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-3-208-214blackmet-1632Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESО РАСЧЕТЕ КОНВЕКТИВНОЙ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СТРУИ С ОГРАНИЧИВАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮON THE CALCULATION OF CONVECTIVE HEAT TRANSFER UNDER MUTUAL-ACTION OF A JET WITH LIMITING SURFACEПрибытковИ. А.PribytkovI. A.

к.т.н., профессор кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий

119049, Россия, Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “EnergyEfficient and Resource-Saving Industrial Technologies” 

Moscow

temp@misis.ruКондрашенкоС. И.KondrashenkoS. I.

ассистент кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий

119049, Россия, Москва, Ленинский пр., 4

Assistant of the Chair “Energy-Efficient and Resource-Saving Industrial Technologies” 

Moscow

stas.misis@yandex.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS” (MISIS)Russian Federation201919062019623208214Copyright © Прибытков И.А., Кондрашенко С.И., 20192019Прибытков И.А., Кондрашенко С.И.Pribytkov I.A., Kondrashenko S.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1632

. Предложена методика расчета конвективной теплоотдачи при взаимодействии одиночной круглой струи с плоской поверхностью. Показаны отличия данной методики от существующих в настоящее время. Введены понятия «энергодинамический потенциал потока» и «энергодинамическая мощность потока», позволяющие определить интенсивность конвективной теплоотдачи на границе «газ – твердое тело». Даны отличия предложенных определений от уже существующих: плотности теплового потока и теплового потока. Принципиальное отличие плотности теплового потока q и энергодинамического потенциала qэ заключается в следующем: величина плотности теплового потока q для задач конвективной теплоотдачи означает количество теплоты, которое переносится от жидкости к твердой поверхности (или наоборот) за единицу времени через единицу площади поверхности теплообмена. Таким образом, величина q характеризует интенсивность процесса конвективной теплоотдачи на границе раздела фаз. Энергодинамический потенциал qэ характеризует свойство потока как источника или носителя теплоты. Величина qэ характеризует удельную энергетическую мощность потока жидкости. При расчете теплообмена предложено разделять струю при взаимодействии ее с плоской поверхностью на две части: до взаимодействия – струйная часть, после – веерный поток. Методика расчета конвективной теплоотдачи при струйном нагреве, в которой определяющим является критерий Рейнольдса, рассчитанный по характеристикам газа на выходе из сопла, является не совсем корректной. Предлагается использовать критерии, характерные для веерного потока. Данными величинами для веерного потока являются начальная средняя скорость веерного потока Uвп, расстояние от критической точки струи (точка пересечения вертикальной оси струи с поверхностью) до текущей координаты радиуса вниз по течению. Для оценки изменения основных характеристик свободной струи при различных расстояниях от среза сопла до ограничивающей поверхности представлены зависимости: коэффициента расширения струи; коэффициента инжекции струи; коэффициента скорости для любого сечения струи; коэффициента скорости для любого сечения струи, кроме h/d0 = 0; отношения критериев Рейнольдса, подтверждающие необходимость проведения расчетов теплообмена по величинам, характерным отдельно для веерного потока.

The paper proposes a method for calculating convective heat transfer in the interaction of a single circular jet with a flat surface. The differences of the proposed method from the existing ones are given. The concepts “energodynamic potential of the flow” and “energodynamic power of the flow” are introduced, allowing to determine the intensity of convective heat transfer at “gas-solid” boundary. Differences of the proposed definitions from the existing ones are given: heat flux and heat flux density. The principal difference between the heat flux density q and the energy dynamic potential qэ is as follows: the heat flux density q for convective heat transfer problems means the amount of heat that is transferred from a liquid to a solid surface (or vice versa) per unit of time through a unit of heat exchange surface area. Thus, quantity q characterizes the intensity of convective heat transfer process at the interface. The energy dynamic potential qэ characterizes the flow property as a source or carrier of heat. Value of qэ characterizes the specific energy power of the fluid flow. When calculating the heat transfer, it was proposed to divide the jet when interacting with the flat surface into two parts: before the interaction – the jet part, after – the fan flow. The method for calculating convective heat transfer under jet heating, in which the Reynolds criterion calculated by characteristics of the gas at the nozzle exit is decisive, is not entirely correct. It is proposed to use criteria specific to the fan flow. Characteristic values for the fan flow are its initial average velocity Uвп, distance from the critical point of the jet (point of intersection of vertical axis of the jet with the surface) to the current coordinate of radius downstream. To assess the changes in basic characteristics of a free jet at different distances from the nozzle exit to limiting surface, dependences of the following criteria are presented: jet expansion coefficient; jet injection coefficient; velocity coefficient for any jet section; velocity coefficient for any jet section, except h/d0 = 0; relation of the Reynolds criteria, confirming the need to carry out calculations of heat transfer on the values characteristic separately for the fan flow.

струйный нагрев«атакующие» струивеерный потокконвективный теплообменчисленное моделированиеконвективная теплоотдачаполя скоростейэнергодинамический потенциалэнергодинамическая мощностьjet heating“attacking” jetfan flowconvective heatingnumerical simulationconvective heat transferfields of velocityReynolds criterion. energy-dynamic potentialenergy-dynamic powerReferencesАсцатуров В.Н., Краснокутский П.Г. Исследование теплообмена при струйном нагреве заготовок // Изв. вуз. Черная металлургия. 1978. № 1. С. 56 – 58.Astsaturov V.N., Krasnokutskii P.G. Heat transfer during jet heating of billets. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1978, no. 1, pp. 56–58. (In Russ.).Асцатуров В.Н., Берковская П.С., Краснокутский П.Г. Исследование нагрева металла атакующими струями при разработке многорядных печей // Сб. научн. тр. ВНИИПИТеплопроект: печи и сушила в машиностроительной промышленности. 1978. Вып. 45. С. 3 – 10.Astsaturov V.N., Berkovskaya P.S., Krasnokutskii P.G. Investigation of metal heating by attacking jets in the development of multirow furnaces. In: Sb. nauchn. trudov VNIIPITeploproekt: pechi i sushila v mashinostroitel’noi promyshlennosti [VNIIPITeploprect: furnaces and dryers in the engineering industry. Coll. of sci. works of VNIIPIT]. 1978, Issue 45, pp. 3–10. (In Russ.).Вохмяков А.М., Казяев М.Д., Казяев Д.М. Исследование конвективного теплообмена в проходной печи, оснащенной скоростными горелками // Цветные металлы. 2011. № 12. С. 89 – 93.Vokhmyakov A.M., Kazyaev M.D., Kazyaev D.M. Investigation of convective heat transfer in a through furnace equipped with highspeed burners. Tsvetnye metally. 2011, no. 12, pp. 89–93. (In Russ.).Прибытков И.А. Энергосберегающие способы нагрева металла на основе использования струй // Сб. научн. тр. конф.: «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии». – М.: МИСиС, 2002. С. 375 – 390.Pribytkov I.A. Energy-saving methods of metal heating based on the use of jets. In: Sb. nauchn. trudov konferentsii: Avtomatizirovannye pechnye agregaty i energosberegayushchie tekhnologii v metallurgii [Coll. of sci. works of the conf.: Automated furnaces and energy-saving technologies in metallurgy]. Moscow: MISiS, 2002, pp. 375–390. (In Russ.).Тимошпольский В.И., Трусова И.А., Ратников П.Э. Возмож ности применения струйного нагрева металла перед прокаткой // Литье и металлургия. 2007. № 2. C. 63 – 66.Timoshpol’skii V.I., Trusova I.A., Ratnikov P.E. Possibilities of application of metal jet heating before rolling. Lit’e i metallurgiya. 2007, no. 2, pp. 63–66. (In Russ.).Юдаев Б.Н., Михайлов М.С., Савин В.К. Теплообмен при взаимодействии струй с преградами. – М.: Машиностроение, 1977. – 247 с.Yudaev B.N., Mikhailov M.S., Savin V.K. Teploobmen pri vzaimodeistvii strui s pregradami [Heat transfer at the interaction of jets with obstacles]. Moscow: Mashinostroenie, 1977, 247 p. (In Russ.).Lisienko V.G., Shleimovich E.M. Improving the thermal characteristics of furnaces and the operating conditions of the lining by improving direct-flame-impingement methods for intensifying the heating of metal // Refractories and Industrial Ceramics. 2013. Vol. 54. No. 3. P. 188 – 195.Lisienko V.G., Shleimovich E.M. Improving the thermal characteristics of furnaces and the operating conditions of the lining by improving direct-flame-impingement methods for intensifying the heating of metal. Refractories and Industrial Ceramics. 2013, vol. 54, no. 3, pp. 188–195.Бирюков А.Б, Гнитиев П.А. Интенсификация конвективного теплообмена в нагревательных и термических печах // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2017. № 3. C. 105 – 112.Biryukov A.B, Gnitiev P.A. Intensification of convective heat exchange in heating and thermal furnaces. Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2017, no. 3, pp. 105–112. (In Russ.).Прибытков И.А., Титова Г.В. Особенности струйного нагрева термически тонкого металла // Изв. вуз. Черная металлургия. 1993. № 9 – 10. С. 51 – 54.Pribytkov I.A., Titova G.V. Features of jet heating of thermally thin metal. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1993, no. 9-10, pp. 51–54. (In Russ.).Прибытков И. А. Расчет теплового состояния металла при импульсно-скоростном нагреве // Изв. вуз. Черная металлургия. 1995. № 1. С. 53 – 56.Pribytkov I.A. Calculation of metal thermal state at pulse-speed heating. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1995, no. 1, pp. 53–56. (In Russ.).Курносов В.В., Шульц Л.А. Проблемы безокислительного необезуглероживающего высокотемпературного нагрева стали в топливных печах и возможные пути их решения // Изв. вуз. Черная металлургия. 2012. № 11. C. 10 – 14.Kurnosov V.V., Shul’ts L.A. High temperature nonoxidizing nondecarburizing heating of steel in combined fuel furnaces: problems and decisions. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2012, no. 11, pp. 10–14. (In Russ.).Асцатуров В.Н. Интенсификация тепловой работы нагревательных печей // Сб. научн. тр. конф.: «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии». – М.: МИСиС, 2002. C. 36 – 40.Astsaturov V.N. Intensification of thermal work of heating furnaces. In: Sb. nauchn. trudov konferentsii: Avtomatizirovannye pechnye agregaty i energosberegayushchie tekhnologii v metallurgii [Coll. of sci. works of the conf.: Automated furnaces and energy-saving technologies in metallurgy]. Moscow: MISiS, 2002, pp. 36–40. (In Russ.).Leprevost J.-C., Lefèvre A., Brancher, J.-P., Saatdjian Estéban. Chao tic mixing and heat transfer in a periodic 2D flow // Comptes Rendus de l'Academie de Sciences. Serie IIb: Mecanique, Physique, Chimie, Astronomie. 1997. Vol. 325. P. 519 – 526.Leprevost J.-C., Lefèvre A., Brancher, J.-P., Saatdjian Estéban. Chao tic mixing and heat transfer in a periodic 2D flow. Comptes Rendus de l’Academie de Sciences. Serie IIb: Mecanique, Physique, Chimie, Astronomie. 1997, vol. 325, pp. 519–526.Crow S.C., Champagne F.H. Orderly structure in jet turbulence // Journal of Fluid Mechanics. 1971. Vol. 48. P. 547 – 591.Crow S.C., Champagne F.H. Orderly structure in jet turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 1971, vol. 48, pp. 547–591.Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е. Методика расчета нагревательных и термических печей: Учебно-справочное издание. – М.: Теплотехник, 2004. – 400 с.Gusovskii V.L., Lifshits A.E. Metodika rascheta nagrevatel’nykh i termicheskikh pechei: Uchebno-spravochnoe izdanie [Method of calculating heating and thermal furnaces: Educational reference book]. Moscow: Teplotekhnik, 2004, 400 p. (In Russ.).Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. – М.: Наука, 1984. – 716 с.Abramovich G.N. Teoriya turbulentnykh strui [Theory of turbulent jet]. Moscow: Nauka, 1984, 716 p. (In Russ.).Michalke A. On spatially growing disturbances in an inviscid shear layer // J. Fluid Mechanics. 1965. Vol. 23. Part 3. P. 521 – 544.Michalke A. On spatially growing disturbances in an inviscid shear layer. J. Fluid Mechanics. 1965, vol. 23, Part 3, pp. 521–544.Liepmann D., Gharib M. The role of streamwise vorticity in the nearfield entrainment of round jets // J. Fluid Mechanics. 1992. Vol. 245. P. 643 – 68.Liepmann D., Gharib M. The role of streamwise vorticity in the nearfield entrainment of round jets. J. Fluid Mechanics. 1992, vol. 245, pp. 643–68.Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. T. 1: Учеб. руководство для втузов. – М.: Наука, 1991. – 600 с.Abramovich G.N. Prikladnaya gazovaya dinamika. T. 1: Ucheb rukovodstvo dlya vtuzov [Applied gas dynamics. Vol. 1: Tutorial manual for technical universities]. Moscow: Nauka, 1991, 600 p. (In Russ.).Кривандин В.А., Арутюнов В.А, Белоусов В.В. Теплотехника металлургического производства. Т. 1. – М.: МИСИС, 2001. – 608 с.Krivandin V.A., Arutyunov V.A, Belousov V.V. Teplotekhnika metallurgicheskogo proizvodstva [Heat engineering of metallurgical production]. Vol. 1. Moscow: MISIS, 2001, 608 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.