10912

3.Зиганшин А.М. Снижение энергозатрат при движении потоков путём профилирования фасонных частей в коммуникациях энергоустано- вок // Надёжность и безопасность энергетики. 2015. №1(28). С.63-68

4.Зиганшин А.М., Бадыкова Л.Н. Численное моделирование те- чения в профилированном вентиляционном тройнике на слияние // Изве- стия высших учебных заведений. Строительство. 2017. №6. С. 41-48.

5.Зиганшин А.М., Беляева Е.Э., Соколов В.А. Снижение потерь давления при профилировании острого отвода и отвода с нишей // Изве- стия высших учебных заведений. Строительство. 2017. №1. С. 108-116.

6.Зиганшин А.М., Валеев Б. Р., Мухаметзянов И. Р., Полукеев К.В. Верификация численной схемы решения задачи об определении по- терь давления щелевого стока конечной ширины // Энерго- и ресурсосбе- режение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источ- ники энергии: материалы Всероссийской научно-практической конферен- ции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (Екатеринбург, 12–16 декабря 2016 г.). Екатеринбург : УрФУ, 2016. – С. 98-101.

7.Посохин В.Н., Зиганшин А.М., Мударисов Д.И. О протяженно- сти зон влияния возмущающих элементов трубопроводных систем // Изве-

стия КазГАСУ. 2014. №2(28) . С. 121-126.

8.Соединительный фасонный элемент с профилирующими вставками : пат. 2604264 Рос. Федерация : МПК F16L 43/00, МПК F16L 25/14 / Зиганшин А.М., Алещенко И.С., Зиганшин М.Г. и др. ; заявитель и патентообладатель: Казанский гос. арх.-строит. университет. – № 2014137755/06 ; заявл. 17.09.14 ; опубл. 10.12.16, Бюл. № 34. – 13 с.

ЗИГАНШИН А.М., к-т техн. наук, доцент кафедры Теплоэнергетики, газоснабжения и вентиляции; НАУМОВ Т.А., студент Института строительных технологий и инженерно-экологических систем

ФГБОУ ВО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», г. Казань, Россия, [e-mail].

ЧИСЛЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОЧЕРТАНИЙ ВИХРЕВЫХ ЗОН ТЕЧЕНИЯ ВО ВНЕЗАПНОМ РАСШИРЕНИИ ПРИ ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО РАЗМЕРОВ

Работа является продолжением исследования, начатого в [5], где бы- ла проведена подробная валидация численного моделирования течения в канале с внезапным расширением. В этой работе определены очертания вихревой зоны (ВЗ), которые образуются при срыве с острой кромки и необходимы для дальнейшего профилирования фасонной детали. Такой

290

метод снижения потерь давления в отводах и тройниках был рассмотрен в сериях работ [1-4], при этом было получено существенное снижение коэф- фициента местного сопротивления (КМС).

Проводится численное моделирование для следующих соотношений размеров канала до (b0) и после (b1) внезапного расширения b0/b1=0,1; 0,3 и 0,7. При численном решении использовалось ранее валидированное [5] со- четание модели турбулентности – «стандартная» k-ε и «расширенного» пристеночного моделирования. Более подробно настройки численной мо- дели и методика исследования приведены в [5]. Решение проводилось при помощи пакета программ Fluent (ANSYS® Academic Research Mechanical and CFD, Release 18.2). Полученные результаты приведены на рисунке 1, там же нанесены теоретические данные [6].

Рисунок 1 - Зависимость КМС исследуемого диапазона геометрий от отношения

b1/b0

Как видно из графика, полученные результаты довольно хорошо сходятся с [6], что говорит об адекватности использованной численной модели. Для всех рассчитанных размеров внезапного расширения были определены очертания ВЗ (рисунок 2).

291

Рисунок 2 - Очертания ВЗ для всего диапазона геометрий

Кроме того, интересно также изучить насколько далеко вверх и вниз по потоку распространяются возмущения вносимые фасонным элементом

– длины зон влияния (ЗВ), соответственно до (lдо) и после (lпосле) внезапно- го расширения. На рисунке 3 показаны зависимости длин ЗВ от размера

b1/b0, для всего диапазона исследуемых геометрий.

292

Рисунок 3 – Длина зоны влияния до и после расширения

По результатам численного моделирования были определены зави- симости очертаний вихревой зоны от геометрии двухмерного внезапного расширения, что позволит использовать их при моделировании и констру- ировании энергоэффективных фасонных деталей со сниженным сопротив- лением. Кроме того определены зависимости для длины зон влияния, ко- торые должны учитываться при установке фасонных деталей друг за дру- гом в системах вентиляции.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Зиганшин А.М., Бадыкова Л.Н. Численное моделирование те- чения в профилированном вентиляционном тройнике на слияние // Изве- стия высших учебных заведений. Строительство. 2017. №6. С. 41-48.

2.Зиганшин А.М., Беляева Е.Э. Экспериментальное определение коэффициента местного сопротивления (КМС) острых и энергоэффектив- ных отводов под углом 90° // Актуальные вопросы теплогазоснабжения и вентиляции: материалы студ. науч.-практ. конф. (Ростов-на-Дону, 12 апре- ля 2018 г.) / ред. кол. В.В. Иванов [и др.]: Донской гос. техн. ун-т. – Ростов-

на-Дону: ДГТУ, 2018. – С. 18-22.

3.Зиганшин А.М., Беляева Е.Э., Соколов В.А. Снижение потерь давления при профилировании острого отвода и отвода с нишей // Изве- стия высших учебных заведений. Строительство. 2017. №1. С. 108-116.

4.Зиганшин А.М., Снижение энергозатрат при движении потоков путём профилирования фасонных частей в коммуникациях энергоустано- вок // Надёжность и безопасность энергетики. 2015. №1(28). С.63-68.

5.Зиганшин А.М., Шамсутдинов Т.Ф., Наумов Т.А. Валидация численной модели течения во внезапном расширении [Электронный ре- сурс] // Всероссийский фестиваль науки: материалы Χ Международный молодежный форум «Образование. Наука. Производство» (Белгород, 21-27 сентября 2018). – Белгород: БГТУ им. В.Г.Шухова, 2018.

293

6.Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлени- ям / Под ред. М. О. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машино-

строение, 1992. 672 с.

7.Ansys Fluent 6.3 Documentation / 12.11.1 Near-Wall Mesh Guidelines. URL: https://www.sharcnet.ca/Software/Fluent6/html/ug/node518.htm#sec-guidelines- wf (дата обращения: 07.08.2018).

ЗИГАНШИН А.М., к-т техн. наук, доцент кафедры Теплоэнергетики, газоснабжения и вентиляции; ПРОНИН М.О., студент Института строительных технологий и инженерно-экологических систем; ШАМСУТДИНОВ Т.Ф., к-т хим. наук, доцент кафедры Информационных технологий и систем автоматизированного проектирования

ФГБОУ ВО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», г. Казань, Россия,

[e-mail]

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ОЧЕРТАНИЙ ВИХРЕВЫХ ЗОН В НЕРАВНОСТОРОННЕМ ВЫТЯЖНОМ ТРОЙНИКЕ

В работе проводится численное исследование течения в неравносто- роннем вытяжном тройнике, при изменении расходов воздуха на ответвле- ниях. Тройник имеет размер канала до разветвления bп =0,05м в прямом направлении и bб =0,05м в боковом ответвлении, и bс = 0,1м в стволе (по- сле слияния потоков). Известны значения КМС для такого тройника [8], что используется при валидации численного решения, но также интересно определить очертания вихревых зон (ВЗ), чтобы далее использовать их для профилирования и исследования возможности снижения таким образом сопротивления тройника, как это было показано для равносторонних трой- ников [5], отводов [4, 6, 7], отсосов раструбов [2].

Для замыкания уравнений движения используется «стандартная» k-ε модель турбулентности вместе с расширенным пристеночным моделиро- ванием. Такое сочетание было валидировано ранее в [3]. Для каждой зада- чи проводились поэтапные адаптации расчетной сетки и исследование на «сеточную зависимость». Адаптация проводилась путем измельчения пер- воначальной более грубой расчетной сетки двумя способами: сначала во всей области тройника и дополнительно вблизи твердых стенок для пра- вильного определения моделирования пограничного слоя и определения потерь давления. За окончательное решение принимается задача после 10 этапов измельчения сетки при достижении безразмерным параметром y+ для EWT [1] единицы, а также при условии, что коэффициенты местного

294

сопротивления (КМС) определенные на двух последовательно измельчен- ных сетках не различаются более чем на 1%.

Для изменения соотношения расходов по ответвлениям тройника ис- пользовалось граничное условие Pressure Inlet на входных границах трой- ника – проходного и бокового ответвления с установкой на них разного сочетания давлений. Это приводило к необходимому соотношению расхо- дов Gб/Gс, где Gб - расход в боковом ответвлении тройника, Gс - расход в стволе тройника (суммарный) (таблица 1).

Таблица 1 – Зависимость соотношения расходов от давлений, установленных на границах

Соотношение расходов	Давление на входных границах ответвлений, Па
Gб/Gс	Проходном	Боковом
0,301	0	-500
0,545	0	0
0,700	-282	0

В результате обработки численного решения получены значения КМС на проходе и на боковом ответвлении для соотношений расходов Gб/Gс = 0,301; 0,545; 0,700. Более подробно методика определения КМС описана в [3].

Рисунок 1 – Зависимость ζп и ζб вытяжного тройника от отношения расходов

Gб/Gс

На рисунке 1 представлены результаты вычислений коэффициентов местных сопротивлений ζп и ζб для трех соотношений расходов, найденных

295

численно (сплошными линиями) и известные по результатам эксперимента (штриховыми линиями) [8]. Анализируя приведенный выше график, мож- но сделать вывод, что увеличение расхода через боковое ответвление ведет к незначительному снижению коэффициента местного сопротивления в прямом ответвлении тройника ζп, но к значительному увеличению КМС ζб в боковом ответвлении. Сохраняется тенденция совпадения коэффициента местного сопротивления с известными значениями из [8] аналогично ста- тье [3], а именно достаточно точное совпадение КМС на проход ζп, но зна- чительное расхождение для значения. коэффициента местного сопротивле- ния на боковом ответвлении ζб

Рисунок 2 – Очертания вихревых зон

Кроме коэффициентов местных сопротивлений для указанных соот- ношений расходов были определены очертания вихревых зон (ВЗ) (рис.2). Видно, что длина (размер вдоль потока) ВЗ увеличивается с увеличением относительного расхода по боковому ответвлению Gб/Gс, что может объ- ясняться увеличением силы потока приводящего к возникновению ВЗ. При этом глубина зоны (размер поперек потока) увеличивается лишь до значе- ния Gб/Gс = 0,5, что, по-видимому, объясняется сдерживающим влиянием потока проходящего по прямому направлению.

Далее планируется увеличить диапазон исследованных значений со- отношений расходов, а также использовать найденные очертания вихревых зон для создания моделей профилированных неравносторонних тройников и исследования их сопротивления.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ansys Fluent 6.3 Documentation / 12.11.1 Near-Wall Mesh Guidelines. URL: https://www.sharcnet.ca/Software/Fluent6/html/ug/node518.htm#sec-guidelines- wf (дата обращения: 07.10.2018).

296

2.Logachev K.I., Ziganshin A.M., Averkova O.A. On the resistance of a round exhaust hood, shaped by outlines of the vortex zones occurring at its inlet // Build. Environ. 2019. Vol. 151. P. 338–347.

3.Зиганшин А.М., Пронин М.О., Шамсутдинов Т.Ф. Валидация численной модели течения в вытяжном вентиляционном неравносторон- нем тройнике // Новое в архитектуре, проектировании строительных кон- струкций и реконструкций: материалы IV Международной (X Всероссий- ской) конференции. – Чебоксары: Издательство Чувашского университета, 2018. – 611 с.

4.Зиганшин А.М. Снижение энергозатрат при движении потоков путём профилирования фасонных частей в коммуникациях энергоустано- вок // Надёжность и безопасность энергетики. 2015. №1(28). С.63-68.

5.Зиганшин А.М., Бадыкова Л.Н. Численное моделирование те- чения в профилированном вентиляционном тройнике на слияние // Изве- стия высших учебных заведений. Строительство. 2017. №6. С. 41-48.

6.Зиганшин А.М., Беляева Е.Э., Соколов В.А. Снижение потерь давления при профилировании острого отвода и отвода с нишей // Изве- стия высших учебных заведений. Строительство. 2017. №1. С. 108-116.

7.Зиганшин А.М., Озеров А.О. Снижение потерь энергии в П- образном отводе [Электронный ресурс] // Международная научно- техническая конференция молодых ученых (Белгород, 21-25 мая 2018). – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2018.

8.Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М. О. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.

9.Соединительный фасонный элемент с профилирующими вставками : пат. 2604264 Рос. Федерация : МПК F16L 43/00, МПК F16L 25/14 / Зиганшин А.М., Алещенко И.С., Зиганшин М.Г. и др. ; заявитель и патентообладатель: Казанский гос. арх.-строит. университет. – № 2014137755/06 ; заявл. 17.09.14 ; опубл. 10.12.16, Бюл. № 34. – 13 с.

297

ЗИГАНШИН А.М., к-т техн. наук, доцент, преподаватель кафедры теплоэнергетики, газоснабжения и вентиляции; БАТРОВА К.Э., магистр

ФГБОУ ВО «Казанский государственный архитектурно-строительный университ», г. Казань, Россия, [e-mail].

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ОЧЕРТАНИЙ ВИХРЕВЫХ ЗОН ОТ РАЗМЕРОВ ПОСЛЕДНЕГО БОКОВОГО ВЫТЯЖНОГО ОТВЕРСТИЙ

В системах вентиляции и кондиционирования часто встречается си- туация, когда вытяжное отверстие находится вблизи торцевой заглушки воздуховода – последнее вытяжное отверстие. Для этого случая немного информации приводится в справочнике [5], и более подробные исследова- ния в [7]. Там приводятся зависимости коэффициента местного сопротив- ления от размеров отверстия и тупика. Также интересно определить очер- тания вихревой зоны (ВЗ), которая образуется при входе в такое отверстие

– при срыве с острой кромки, так как она является основной причиной по- терь давления. Знание очертаний ВЗ, позволит далее смоделировать и ис- следовать возможность снижения потерь давления в таком отверстии, профилированном по очертаниям ВЗ, как это удалось сделать для торце- вых вытяжных отверстий в виде круглых зонтов-раструбов [9], отводов

[1,3,6] и тройников [2].

Подробно валидация численной схемы моделирования течения в по- следних боковых вытяжных отверстиях проведена в [4], в результате чего наиболее приемлемым оказалось сочетание «стандартной» k-ε модель тур- булентности и «расширенного» пристеночного моделирования. Размеры расчетной области: высота – 1м, ширина – 1,5м, длина канала – 6м (3м), ширина канала H=0,16м. Исследованы следующие размеры вытяжного от-

верстия: h=0,3м; 0,24м; 0,192м; 0,16м; 0,128м; 0,08м; 0,032м (h/H = 1,875; 1,5; 1,2; 1,0; 0,8; 0,5; 0,2). На выходной границе был задан расход воздуха G = 1кг/с (граничное условие – ГУ «Mass flow inlet», с указанием направле- ния движения воздуха из области); внешние границы – свободные прони- цаемые границы (граничное условие – ГУ «Pressure Inlet» с нулевым избы- точным давлением), на всех твердых стенках – ГУ «стенка».

Для каждого размера отверстия h строилась отдельная сетка и про- водилось устранение сеточной зависимости, в качестве контрольного па- раметра принимался искомый коэффициент местного сопротивления (КМС) входа в отверстие. Подробно методика определения КМС приведе- на в [4]. Далее приводятся результаты определения зависимости для КМС от относительного размера отверстия h/H (рис.1).

298

Рисунок 1 – Зависимость ζО от h/H

На графике видно, что при увеличении размера отверстия значение КМС возрастает, что также подтверждается результаты эксперимента, проведенного Ханжонковым [7] на установке с круглым каналом диамет- ром 160мм, длиной отверстия l=300мм и шириной отверстия b=111,2мм. В ходе проведения эксперимента авторами был выявлен «участок резкого нарушения плавности изменения кривой, обусловленный заметным каче- ственным изменением картины течения потока при его повороте во вход- ное отверстие трубы. Наблюдения за течением на этом участке показали, что при малых значениях Fо/Fт струя входит через отверстие внутрь трубы почти нормальна к стенке, лежащей против отверстия, и растекается по ней во всех направлениях. При этом часть струи поступает в конец трубы, закрытой заглушкой, совершает в нем поворот на 180° и затем уходит в другой конец трубы в виде двух интенсивно вращающихся вихревых жгу- тов, расположенных между втекающей струей и стенками трубы» [7]. Для плоского течения такой особенности не выявлено.

Далее на рис. 2 приведена зависимость очертаний вихревых зон (ВЗ), образующихся при входе потока воздуха в отверстие, от размеров отвер- стий.

299