blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-4-263-269blackmet-1637Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESАЭРОДИНАМИКА СТРУЙ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮAERODYNAMICS OF JETS INTERACTING WITH A FLAT SURFACEПрибытковИ. А.PribytkovI. A.

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

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “EnergyEfcient and Resource­Saving Industrial Technologies”

Moscow

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

ассистент кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Assistant of the Chair “Energy­Efcient and Resource­Saving Industrial Technologies”

Moscow

stas.misis@yandex.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS” (MISIS)Russian Federation201919062019624263269Copyright © 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/1637

Проведено исследование особенностей развития одиночной свободной струи высокотемпературного азота при взаимодействии с плоской поверхностью. Расчет процесса теплообмена при нагреве атакующими струями весьма трудно реализовать аналитически в силу сложности газодинамических процессов, протекающих как в одиночной струе, так и в системе струй, взаимодействующих с металлом. Сложности расчета усугубляются тем, что струя как таковая при взаимодействии с поверхностью исчезает. С поверхностью взаимодействует настильный (веерный) поток, форма, аэродинамические свойства и тепловое состояние которого резко отличаются от таковых для первоначальной струи. Исследования проводились на основании численного моделирования в версии программно-вычислительного комплекса для мультифизического моделирования FloEFD, основанного на решении уравнений газодинамики и теплообмена. Решаемая система уравнений состояла из уравнения Навье-Стокса, уравнений энергии и неразрывности и была дополнена k – ε моделью турбулентности. Разработана трехмерная модель для моделирования, заданы необходимые свойства, начальные и граничные условия. При исследовании аэродинамики одиночной высокотемпературной струи, взаимодействующей с поверхностью, основными определяющими величинами являлись: скорость истечения азота из сопла U0 , температура азота T, внутренний диаметр сопла d0 , расстояние от среза сопла до поверхности h, расстояние от критической точки (точки пересечения оси струи с поверхностью) по радиусу потока r. Представлены данные уменьшения скорости газа по мере развития струи из-за потери начальной энергии на вовлечение в движение неподвижного окружающего газа. Исследования показали, что увеличение начальной скорости истечения газа приближает к поверхности область более высоких скоростей как в самой струе, так и в веерном потоке. Этот фактор способствует интенсификации теплообмена. Кроме того, высокие скорости увеличивают общую толщину веерного потока и снижают толщину гидродинамического пограничного слоя, которая возрастает по мере удаления от критической точки.

In this paper, the development features of a single free jet of hightemperature nitrogen interacting with a flat surface were studied. Calculation of the heat exchange process during heating by the attacking jets is very difficult to implement analytically due to complexity of the gas-dynamic processes occurring both in a single jet and in a system of jets interacting with the metal. The computational difficulties are aggravated by the fact that when interacting with the surface the jet as such disappears. The flat (fan) flow interacts with the surface: form, aerodynamic properties and thermal state of the flow strongly differ from those of the original jet. The studies were conducted on the basis of numerical simulation in the FloEFD software and computing complex for multiphysical simulation based on solution of the equations of gas dynamics and heat transfer. The solved system of equations consisted of Navier-Stokes equations, equations of energy and continuity and was supplemented by k – ε turbulence model. A three-dimensional model was developed for simulation, the necessary properties, initial and boundary conditions were specified. In the study of aerodynamics of a single high-temperature jet interacting with the surface, the main defining values were: nitrogen flow rate from the nozzle U0 , nitrogen temperature T, internal diameter of the nozzle d0 , distance from the nozzle section to the surface h, distance from the critical point (point of intersection of the jet axis with the surface) along the flow radius r. Data on the gas velocity decrease as the jet develops due to the loss of initial energy to engage the motionless surrounding gas in motion, is presented. The studies have shown that increase in the initial velocity of gas outflow brings the area of higher velocities closer to the surface both in the jet itself and in the fan jet. This factor contributes to heat transfer intensification. In addition, high speeds increase the total thickness of the fan flow and reduce the thickness of hydrodynamic boundary layer, which increases with distance from the critical point.

струйный нагрев струи веерный поток конвективный нагрев численное моделирование поля скоростейjet heatingjetsfan flowconvective heatingnumerical simulationfelds of velocityReferencesАсцатуров В.Н., Краснокутский П.Г., Берковская П.С. Скоростной струйный нагрев металла. – Киев: Техника, 1984. – 120 с.Astsaturov V.N., Krasnokutskii P.G., Berkovskaya P.S. Skorostnoi struinyi nagrev metalla [High-speed jet heating of metal]. Kiev: Tekhnika, 1984, 120 p. (In Russ.).Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. – М.: ЭКОЛИТ, 2011. – 720 с.Abramovich G.N. Teoriya turbulentnykh strui [Theory of turbulent jet]. Moscow: EKOLIT, 2011, 720 p. (In Russ.).Тимошпольский В.И., Трусова И.А., Ратников П.Э. Возможности применения струйного нагрева металла перед прокаткой // Литье и металлургия. 2007. № 2. С. 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.).Polat S., Huang B., Mujumdar A.S., Douglas W.J.M. Numerical flow and heat transfer under impinging jets // Annual Review of Numerical Fluid Mechanics and Heat Transfer. 1989. No. 2. P. 157 – 197.Polat S., Huang B., Mujumdar A.S., Douglas W.J.M. Numerical flow and heat transfer under impinging jets. Annual Review of Numerical Fluid Mechanics and Heat Transfer. 1989, no. 2, pp. 157–197.Асцатуров В.Н. Интенсификация тепловой работы нагревательных печей. – В кн.: Материалы 2-й международной конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии». – М.: МИСиС, 2002. C. 36 – 40.Astsaturov V.N. Intensifcation of thermal work of heating furnaces. In: Materialy 2­i mezhdunarodnoi 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.).Cadena-Ramírez A., Favela-Contreras A., Dieck-Assad G. Modeling and simulation of furnace pulse fring improvements using fuzzy control // Simulation. 2017. Vol. 93. No. 6. P. 477 – 487.Cadena-Ramírez A., Favela-Contreras A., Dieck-Assad G. Modeling and simulation of furnace pulse fring improvements using fuzzy control. Simulation. 2017, vol. 93, no. 6, pp. 477–487.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. С. 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.).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. Об особенности импульсно-скоростного нагрева сверхмассивных в тепловом отношении тел. – В кн.: Материалы ХVI международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии», НМетАУ, г. Днепропетровск, Украина. – Днепропетровск: НМетАУ, 2011. С. 74 – 75.Pribytkov I.A. On the features of pulse-fast heating of thermally superheavy bodies. In: Materialy XVI mezhdunarodnoi konferentsii “Teplotekhnika i energetika v metallurgii”, NMetAU, g. Dnepropetrovsk, Ukraina [Materials of the XVI Int. Conf. “Heat and Power Engineering in Metallurgy”, NMetAU, Dnepropetrovsk, Ukraine]. Dnepropetrovsk: NMetAU, 2011, pp. 74–75. (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.).Прибытков И.А. Энергосберегающие способы нагрева металла на основе использования струй. – В кн.: Сб. научн. трудов конференции «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 Ener gy-Saving Technologies in Metallurgy”]. Moscow: MISiS, 2002, pp. 375–390. (In Russ.).Курносов В.В., Васильев В.М, Кондрашенко С.И. Исследование системы охлаждения печи обжига огнеупорных изделий. – В кн.: Труды IV Всероссийской научно-практической конференции «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве (ТИМ-2015)» (г. Екатеринбург, 26-27 марта 2015 г.). – Екатеринбург: УрФУ, 2015. С. 68 – 71.Kurnosov V.V., Vasil’ev V.M, Kondrashenko S.I. Investigation of the refractory kiln cooling system. In: Trudy IV Vserossiiskoi nauchno­prakticheskoi konferentsii “Teplotekhnika i informatika v obrazovanii, nauke i proizvodstve (TIM­2015)” (g. Ekaterinburg, 26­27 marta 2015 g.) [Proc. of the IV All-Russ. Sci. and Pract. Conf. “Heat Engineering and Computer Science in Education, Science and Production (TIM-2015)” (Ekaterinburg, March 26-27, 2015)]. Ekaterinburg: UrFU, 2015, pp. 68–71. (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.Hu L., Lv Y., Tang K., Richards G. An improved methodology for pulse combustion with programmable timing sequence used in rehea ting furnaces // ISIJ International. 2017. Vol. 57. No. 12. P. 2266 – 2268.Hu L., Lv Y., Tang K., Richards G. An improved methodology for pulse combustion with programmable timing sequence used in reheating furnaces. ISIJ International. 2017, vol. 57, no. 12, pp. 2266–2268.Bula Antonio J., Rahman Muhammad M., Leland John E. Numerical modeling of conjugate heat transfer during impingement of free liquid jet issuing from a slot nozzle // Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. An International Journal of Computation and Methodology. 2000. Vol. 38. No. 1. P. 45 – 66.Bula Antonio J., Rahman Muhammad M., Leland John E. Numerical modeling of conjugate heat transfer during impingement of free liquid jet issuing from a slot nozzle. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. An International Journal of Computation and Methodology. 2000, vol. 38, no. 1, pp. 45–66.Gardon R., Akfrat J. Heat Transfer Characteristics of Impinging Two-Dimensional Air Jets // Trans. ASME. J. Heat Transfer. 1966. No. 88. P. 101 – 108.Gardon R., Akfrat J. Heat transfer characteristics of impinging twodimensional air jets. Trans. ASME. J. Heat Transfer. 1966, no. 88, pp. 101–108.Michalke A. On spatially growing disturbances in an inviscid shear layer // J. Fluid Mechanics. 1965. Vol. 23. No. 3. P. 521 – 544.Michalke A. On spatially growing disturbances in an inviscid shear layer. J. Fluid Mechanics. 1965, vol. 23, no. 3, pp. 521–544.Liepmann D., Gharib M. The role of streamwise vorticity in the near-feld entrainment of round jets // J. Fluid Mechanics. 1992. Vol. 245. P. 643 – 668.Liepmann D., Gharib M. The role of streamwise vorticity in the near-feld entrainment of round jets. J. Fluid Mechanics. 1992, vol. 245, pp. 643–668.Liu Y.J., Li J.D., Misra R.D.K., Wang Z.D., Wang G.D. A numerical analysis of slab heating characteristics in a rolling type reheating furnace with pulse combustion // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 107. P. 1304 – 1312.Liu Y.J., Li J.D., Misra R.D.K., Wang Z.D., Wang G.D. A numerical analysis of slab heating characteristics in a rolling type reheating furnace with pulse combustion. Applied Thermal Engineering. 2016, vol. 107, pp. 1304–1312.Yue K., Cheng L., Liu H., Wang Y. Analysis of jet blast impact of embarked aircraft on deck takeoff zone // Aerospace Science and Technology. 2015. Vol. 45. P. 60 – 66.Yue K., Cheng L., Liu H., Wang Y. Analysis of jet blast impact of embarked aircraft on deck takeoff zone. Aerospace Science and Technology. 2015, vol. 45, pp. 60–66.

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