Матвиенко О.В.

УДК 621.928.37

МАТВИЕНКО ОЛЕГ ВИКТОРОВИЧ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

matvolegv@mail.ru

БАЗУЕВ ВИКТОР ПАВЛОВИЧ, ст. научный сотрудник,

slab@mail.tomsknet.ru

ДУЛЬЗОН НАТАЛЬЯ КОНСТАНТИНОВНА, аспирант,

tng@stlab.tomsk.ru

СМИРНОВА НАТАЛЬЯ ГЕННАДЬЕВНА, инженер,

slab@mail.tomsknet.ru,

АГАФОНОВА МАРИНА ВИКТОРОВНА, ст. преподаватель,

tng@stlab.tomsk.ru

Томский государственный архитектурно-строительный университет,

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

ЧИСЛЕННОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ  СТРУКТУРЫ  ТЕЧЕНИЯ  И  ТЕПЛООБМЕНА  ПРИ  ЗАКРУЧЕННОМ  ТЕЧЕНИИ  БИТУМНО-ДИСПЕРСНЫХ  СИСТЕМ  В  ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ  КАНАЛАХ

Проведено исследование особенностей течения и характеристик тепломассопереноса турбулизированной сильновязкой битумно-дисперсной среды при течении в охлаждаемом канале в прямоточном и закрученном потоках. Расчеты показывают, что тепло, возникающее в потоке вследствие трения, может оказывать значительное влияние на условия теплообмена со стенкой. Распределение эффективной вязкости потока на термически и гидродинамически нестабилизированном участке течения определяется не только ростом молекулярной вязкости при охлаждении потока, но и процессами турбулизации (реламинаризации) течения.

Ключевые слова:битум; тепломассообмен; давление; турбулентность; температура; закрутка; вязкая жидкость.

Библиографический список

  1. Базуев, В.П. Моделирование процесса модифицирования битума в кавитационно-смесительном диспергаторе / В.П. Базуев, О.В. Матвиенко, В.Л. Вороненко // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2010. – № 4. – С. 121–128.
  2. Исследование процесса модификации битума в инжекторном смесителе / О.В. Матвиенко, В.П. Базуев, Н.Г. Туркасова, А.И. Байгулова // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2013. – № 3. – С. 202–213.
  3. Матвиенко, О.В. Исследование смешения коаксиальных закрученных потоков вязкой жидкости / О.В. Матвиенко, В.П. Базуев, А.А. Клепова // Перспективные материалы и технологии: труды региональной научно-технической конференции, посвященной 15-летию ООФ ТГАСУ. – Томск : Изд-во «Печатная мануфактура», 2009. – С. 313–321.
  4. Численное моделирование распада турбулентной струи в спутном закрученном потоке / О.В. Матвиенко, А.К. Эфа, В.П. Базуев, Е.В. Евтюшкин // Изв. вузов. Физика. – 2006. – Т. 49. – № 6. – С. 96–107.
  5. Матвиенко, О.В. Численное исследование перехода к турбулентному режиму течения внутренних закрученных потоков битумных вяжущих / О.В. Матвиенко, В.П. Базуев, Н.К. Южанова // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2013. – № 2. – С. 132–143.
  6. Матвиенко, О.В. Исследование динамики пузырька в закрученном потоке нелинейно-вязкой жидкости / О.В. Матвиенко, М.В. Агафонцева, В.П. Базуев // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2012. – № 4. – С. 144–156.
  7. Матвиенко, О.В. Математическое моделирование течения закрученного потока псевдопластической жидкости в цилиндрическом канале / О.В. Матвиенко, В.П. Базуев, Н.К. Южанова // Инженерно-физический журнал. – 2011. – Т. 84. – № 3. – С. 544–547.
  8. Матвиенко, О.В. Математическое моделирование течения закрученного потока дилатантной жидкости в цилиндрическом канале / О.В. Матвиенко, В.П. Базуев, Н.К. Южанова // Инженерно-физический журнал, 2014. – Т. 87. – № 1. – С. 192–199.
  9. Матвиенко, О.В. Теоретическое исследование процесса очистки загрязненной нефтью почвы в гидроциклонах / О.В. Матвиенко, Е.В. Евтюшкин // Инженерно-физический журнал. – 2007. – Т. 80. – № 3. – С. 72–80.
  10. Матвиенко, О.В. Математическое исследование сепарации дисперсной фазы в гидроциклоне при очистке вязкопластических буровых растворов / О.В. Матвиенко, Е.В. Евтюшкин // Инженерно-физический журнал. – 2011. – Т. 84. – № 2. – С. 243–252.
  11. Гупта, А. Закрученные потоки / А. Гупта, Д. Лилли, Н. Сайред. – М. : Мир, 1987. – 588 с.
  12. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. – М. : Наука, 1974.
  13. Дик, И.Г. Расчет режимов сжигания закрученного газового потока в трубчатом реакторе идеального вытеснения / И.Г. Дик, О.В. Матвиенко // Физика горения и взрыва. – 1991. – № 2. – С. 89–94.
  14. Jones, W.P. The calculation of low Reynolds number phenomena with a two-equation model of turbulence / W.P. Jones, B.E. Launder // Int. J. of Heat Mass Transfer, 16. – 1973. – P. 1119–1130.
  15. Launder, B.E. The numerical computation of turbulent flows / B.E. Launder and D.B. Spalding // Computational Methods of Applied Mechanical Engineering. – 1974. – V. 3. – P. 269–289.
  16. Piquet, J. Turbulent Flows: Models and Physics / J. Piquet. – Berlin : Springer, 1999. – 762 р.
  17. Матвиенко, О.В. Анализ моделей турбулентности и исследование структуры течения в гидроциклоне / О.В. Матвиенко // Инженерно-физический журнал. – 2004. – Т. 77. – № 2. – С. 58–64.
  18. Дик, И.Г. Некоторые закономерности теплообмена внутренних закрученных потоков / И.Г. Дик, О.В. Матвиенко // Известия СО АН СССР. Сер. техн. наук, 1989. – Вып. 3. – С. 40–43.
  19. Ушаков, В.М. Численное исследование нестационарного теплообмена при зажигании реакционноспособных стенок канала потоком высокотемпературного вязкого газа / В.М. Ушаков, О.В. Матвиенко // Инженерно-физический журнал. – 2002. – Т. 75. – № 4. – С. 81–85.
  20. Дик, И.Г. Теплообмен закрученных потоков с объемным источником тепла / И.Г. Дик, О.В. Матвиенко // Журнал прикладной механики и технической физики, 1989. – № 5. – С. 113–116.
  21. Дик, И.Г. Теплообмен в закрученном потоке при наличии эндотермической реакции / И.Г. Дик, О.В. Матвиенко // Теплофизика высоких температур, 1990. – № 2. – С. 190–191.
  22. Дик, И.Г. Теплообмен и горение закрученного потока в реакторе идеального вытеснения / И.Г. Дик, О.В. Матвиенко // Инженерно-физический журнал, 1991. – Т. 60. – № 2. – С. 217–225.
  23. Basim, O.H. Turbulent Prandtl Number and its use in prediction of heat transfer Coefficient for liquids / O.Н. Basim // Nahrain University, College of engineering journal. – 2007. – V. 10. – No. 1. – P. 53–64.
  24. Патанкар, С.Численныеметодырешениязадачтепломассообменаидинамикижидкости / С. Патанкар. – М. : Энергоатомиздат, 1983.
  25. Ferziger, J.H. Computational Methods for Fluid Dynamics / J.H. Ferziger, M. Perič. – Berlin : Springer, 1996. – 390 р.
  26. Versteeg, H.K.An Introduction to Computational Fluid Dynamics / H.K. Versteeg, W. Malalasekera. Longman, London, 1998. – 257 р.
  27. Harten, A. High resolution schemes for hyperbolic conservation laws / A. Harten // J. of Computational Physics. – 1983. – 49. – P. 347–393.
  28. Van Leer, B. Towards the ultimate conservative differencing scheme. A second-order sequel to Godunov’s method / B.Van Leer // J. Comp. Physics.– 1977.– 23.– P. 101–136.
  29. Van Doormal, J.P. Enhancements of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flows / J.P. Van Doormal, G.D. Raithby // Numerical Heat Transfer. – 1984. – V. 7. – P. 147–163.
  30. Щукин, В.К. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах / В.К. Щукин, А.А. Халатов. – М. : Машиностроение, 1982.
  31. Халатов, А.А. Теория и практика закрученных потоков / А.А. Халатов. – Киев : Наукова Думка, 1989.

______________________________

OLEG V. MATVIENKO, DSc, Professor,

matvolegv@mail.ru,

VIKTOR P. BAZUEV, Senior Research Assistant,

slab@mail.tomsknet.ru,

NATAL'YA K. DUL'ZON, Research Assistant,

tng@stlab.tomsk.ru,

NATAL'YA G. SMIRNOVA, Engineer,

slab@mail.tomsknet.ru,

MARINA V. AGAFONOVA, Senior Lecturer,

tng@stlab.tomsk.ru,

Tomsk State University of Architecture and Building,

2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia

NUMERICAL  INVESTIGATION  OF  FLOW  STRUCTURE  AND  HEAT  EXCHANGE  OF  SWIRLING  FLOWS  OF  DISPERSE  BITUMEN  SYSTEMS  IN  CYLINDRICAL  CHANNELS

The mechanisms of flow and characteristics of heat and mass transfer of turbulized high-viscous bitumen-disperse medium are investigated both in direct and swirling flows in a cooled channel. Calculations showed that the heat generated by friction in the flow can significantly influence the conditions of its heat exchange with the wall. Distribution of the effective flow viscosity in a thermally and hydrodynamically unstable flow region depends not only on the increased molecular viscosity during flow cooling but also on the processes of flow turbulence/relaminarization.

Keywords: bitumen; heat and mass transfer; pressure; turbulence; temperature; swirl; viscous fluid.

References

  1. Bazuev V.P., Matvienko O.V., Voronenko V.L. Modelirovaniye protsessa modifitsirovaniya bituma v kavitatsionno-smesitelnom dispergatore [Modeling of bitumen modification in a cavitation mixing dispersing agent]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2010. No. 4. Pp. 121–128. (rus)
  2. Matvienko O.V., Bazuyev V.P., Turkasova N.G., Baigulova A.I. Issledovanie protsessa modifikatsii bituma v inzhektornom smesitele [Investigation of bitumen modification in injector mixer].Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2013. No.3. 202–213. (rus)
  3. Matvienko O.V., Bazuev V.P., Klepova A.A. Issledovanie smesheniya koaksial'nykh zakruchennykh potokov vyazkoi zhidkosti [A study of mixing coaxial swirling viscous flows]. Proc. Sci. Conf. ‘Advanced Materials and Technologies’. Tomsk : Pechatnaya Manufaktura Publ., 2009. Pp. 313–321. (rus)
  4. Matvienko O.V., Efa A.K., Bazuev V.P., Evtyushkin E.V. Chislennoye modelirovaniye raspada turbulentnoy strui v sputnom zakruchennom potoke [Computational investigation of turbulent stream dissemination in a swirl concurrent flow]. Russian Physics Journal. 2006. V. 49. No. 6. Pp. 96–107. (rus)
  5. Matvienko O.V., Bazuev V.P., Yuzhanova N.K. Chislennoe issledovanie perekhoda k turbulentnomu rezhimu techeniya vnutrennikh zakruchennykh potokov bitumnykh vyazhushchikh [Computational investigation of internal swirl flows of asphalt binders transited to a turbulent flow]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2013. No. 2. Pp. 132–143. (rus).
  6. Matvienko, O.V. Agafontseva M.V., Bazuev V.P. Issledovanie dinamiki puzyr'ka v zakruchennom potoke nelineino-vyazkoi zhidkosti [Bubble dynamics in a swirl flow of nonlinear viscous fluid]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2012. No. 4. Pp. 144–156. (rus)
  7. Matvienko O.V., Bazuev V.P., Yuzhanova N.K. Mathematical simulation of a twisted pseudoplastic fluid flow in a cylindrical channel. J. Eng. Phys. and Thermophys., 2011. V. 84. No. 3. Рр. 589–593.
  8. Matvienko O.V., Bazuev V.P., Yuzhanova N.K.Mathematical simulation of the swirling flow of a dilatant liquids in a cylindrical channel.J. Eng. Phys. and Thermophys., 2014. V. 87. No. 1. Pp. 200–207.
  9. Matvienko O.V., Evtyushkin E.V. Theoretical investigation of the process of cleaning of oil-polluted soil in hydrocyclone apparatuses. J. Eng. Phys. and Thermophys. 2007. V. 80. No. 3. Pp. 502–510.
  10. Matvienko O.V., Evtyushkin E.V. Mathematical study of hydrocyclone dispersed phase separation in clearing of viscoplastic drilling fluids. J. Eng. Phys. and Thermophys., 2011. V. 84. No. 2. Pp. 241–250.
  11. Gupta A.K., Lilley L.G., Syred N. Swirl flows. Abacus Press, New-York, 1984 (Rus. ed.: Gupta A., Lilli D., Saired N. Zakruchennye potoki. Moscow : Mir, 1987. 588 p.)
  12. Schlichting H. Boudary-Layer Theory. McGraw Hill Book Company, New-York, 1968 (Rus. ed.: Shlikhting G. Teoriya pogranichnogo sloya. Moscow : Nauka, 1974).
  13. Dik I.G., Matvienko O.V. Raschet rezhimov szhiganiya zakruchennogo gazovogo potoka v trubchatom reaktore ideal'nogo vytesneniya [Gas burning modes for swirling gas flow in tubular plug-flow reactor].Combustion, Explosion, and Shock Waves. 1991. No. 2. Pp. 89–94. (rus)
  14. Jones W.P., Launder B.E. The calculation of low Reynolds number phenomena with a two-equation model of turbulence. Int. J. of Heat Mass Transfer, 16. 1973. Pp. 1119–1130.
  15. Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows / B.E. Launder and // Computational Methods of Applied Mechanical Engineering. 1974. V. 3. Pp. 269–289.
  16. Piquet J. Turbulent Flows: Models and Physics. Berlin : Springer, 1999. 762 p.
  17. Matvienko O.V. Analiz modelei turbulentnosti i issledovanie struktury techeniya v gidrotsiklone [Analysis of turbulence models and structure investigation of hydrocyclone]. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2004. V. 77. No. 2. Pp. 316–323. (rus).
  18. Dik I.G., Matvienko O.V. Nekotorye zakonomernosti teploobmena vnutrennikh zakruchennykh potokov [Certain laws of internal swirl flow heat transfer]. Proc. SB USSR Academy of Sciences, 1989. No. 3. Pp. 40–43. (rus)
  19. Ushakov V.M., Matvienko O.V. Numerical investigation of unsteady heat exchange in ignition for reactive channel walls by thew flow of a high-temperature viscous gas. J. Eng. Phys. and Thermophys.2002. V. 75. No. 5. Pp. 81–85.
  20. Dik I.G., Matvienko O.V. Teploobmen v zakruchennom potoke pri nalichii endotermicheskoi reaktsii [Heat transfer in a swirling flow under conditions of an endothermic reaction]. High Temperature, 1990. No. 2. Рр. 190–191. (rus)
  21. Dik I.G., Matvienko O.V. Teploobmen zakruchennykh potokov s ob"emnym istochnikom tepla [Heat exchange of swirling flows with volume heat source]. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 1989. No. 5. Pp. 780–782. (rus).
  22. Dik, I.G., Matvienko, O.V. Heat transfer and combustion for a spiral flow in an ideal displacement reactor.J. Eng. Phys. and Thermophys.,1991. V. 60. No. 2. Pp. 171–177.
  23. Basim, O.H. Turbulent Prandtl Number and its use in prediction of heat transfer Coefficient for liquids. Nahrain University, College of Engineering Journal. 2007. V. 10. No. 1. Pp. 53–64.
  24. Patankar, S.V. Numericalheat transfer and fluid flow, Hemisphere Publishing Corporation. New York, 1980 (Rus. ed.: Patankar, S. Chislennye metody resheniya zadach teplomassoobmena i dinamiki zhidkosti. Moscow : Energoatomizdat, 1983).
  25. Ferziger J.H., Perič M. Computational Methods for Fluid Dynamics. Berlin : Springer, 1996. 390 p.
  26. Versteeg H.K., Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics. Longman, London, 1998. 257 p.
  27. Harten A. High resolution schemes for hyperbolic conservation laws. J. Comp. Physics. 1983. No. 49. Pp. 347–393.
  28. Van Leer B. Towards the ultimate conservative differencing scheme. A second-order sequel to Godunov’s method. J. Comp. Physics. 1977. No. 23. Pp. 101–136.
  29. Van Doormal J.P., Raithby G.D. Enhancements of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flows. Numerical Heat Transfer. 1984. V. 7. Pp. 147–163.
  30. Shchukin V.K., Khalatov A.A. Teploobmen, massoobmen i gidrodinamika zakruchennykh potokov v osesimmetrichnykh kanalakh [heat exchange and hydrodynamics of swirling flows in axially symmetric channels]. Moscow : Mashinostroenie Publ., 1982. (rus)
  31. Khalatov A.A. Teoriya i praktika zakruchennykh potokov [Theory and practice of swirling flows]. Kiev : Naukova Dumka, 1989.

Статья | (526 Кб)