АЭРОДИНАМИКА СТРУЙ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

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.

1. Асцатуров В.Н., Краснокутский П.Г., Берковская П.С. Скоростной струйный нагрев металла. – Киев: Техника, 1984. – 120 с.

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. – М.: ЭКОЛИТ, 2011. – 720 с.

3. Тимошпольский В.И., Трусова И.А., Ратников П.Э. Возможности применения струйного нагрева металла перед прокаткой // Литье и металлургия. 2007. № 2. С. 63 – 66.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Прибытков И.А. Расчет теплового состояния металла при импульсно-скоростном нагреве // Изв. вуз. Черная металлургия. 1995. № 1. С. 53 – 56.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Gardon R., Akfrat J. Heat Transfer Characteristics of Impinging Two-Dimensional Air Jets // Trans. ASME. J. Heat Transfer. 1966. No. 88. P. 101 – 108.

17. Michalke A. On spatially growing disturbances in an inviscid shear layer // J. Fluid Mechanics. 1965. Vol. 23. No. 3. P. 521 – 544.

18. 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.

19. 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.

20. 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.