Регулирование температуры давлением газов.

[morelia 3]

Добрый день. 

Нуждаюсь в помощи специалистов.

Есть следующая задача.

Образец круглого сечения диаметром 6 мм длиной 26мм помещен в корзину. Корзина состоит из трех ярусов. КОрзина помещена в канал, который заполнее гелием. 

 

Geom.scdoc

В образцах по максимуму задано тепловыделение 10МВт/м3. Корзина алюминиевая тепловыделение 3 Мвт/м3.

В модели  задаю давление гелия через Operating condition. Торцы канала принимаем адиабатическими.

Снаружы канал охлаждается водой. Температура воды на входе 50 на выходе принимаем 66 граждусов. Но я думаю это не критично и можно принять 50 градусов. на стенке постоянно.

движения гелия за счет свободной конвекции принимаем ламинарным. 

Проблема. В реальности установка работает. При изменении давления гелия можно регулировать температуру образцов от 50 до 200 градусов. 

При расчете флюетом температура образцов не реагирует на изменение давления. ВЕрнее она реагирует однако при больших размерах зазора от образца к стенке канала. При заданых геометрических размерах у меня не получается получить изменение температуры.

Скорось в поперечном сечении гелия меняется при изменении давления а вот температура не хочет.

Согласно книги Цедерберга Термодинамические и теплофизические свойства гелия в заданом диапазоне изменения давления (0,02 до 0,2 Мпа) динамическая вязкость, теплопроводность, теплоемкость гелия не изменяется. Меняется только плотность.

Откуда через несколько математических операций, определение числа Грасгофа а потом Ралея,   при принятых выше условиях выходит что число Ралея изменяется 

Аналитически  число Ралея тоже при изменении давления от 0,02 до 0,2 МПа меняется примерно на 2 порядка.

Откуда можна сделать вывод что.

1. так как тепловыделение задано постоянно,  

2.  на внешней поверхности канала задана постоянная температура,

3. теплопроводность Гелия постоянна в даном диапазоне изменения давления

то при изменении давления гелия теплопередача будет завесеть только от интенсивности теплоотдачи образец - гелий, гелий стенка канала. ( Число Ралея аналитически тоже меняется) 

Но ФЛюент выдает абсолютно едининтичный результат, либо с отклонением в пару сотых градуса.

Спасибо за внимание.

Подскажите в какую сторону копать. Что б найти причину.

 

 

Изменено 2 августа 2021 пользователем morelia

[soklakov 1 475]

02.08.2021 в 16:02, morelia сказал:

Подскажите в какую сторону копать. Что б найти причину.

однажды, циркуляция фторида серы в замкнутом объеме с источниками тепла долго не решалась... пока несконвертили тетру в полихедру.

 

02.08.2021 в 16:02, morelia сказал:

2.  на внешней поверхности канала задана постоянная температура,

может слишком жестко? попробуйте конвекцию

 

19 часов назад, piden сказал:

Там вроде давление нужно через patch инициализировать, а operating condition.

@morelia , вот этот вопрос проработали?

 

02.08.2021 в 16:02, morelia сказал:

3. теплопроводность Гелия постоянна в даном диапазоне изменения давления

точно? он же плотнее становится при повышении давления.

[morelia 3]

1 час назад, soklakov сказал:

однажды, циркуляция фторида серы в замкнутом объеме с источниками тепла долго не решалась... пока несконвертили тетру в полихедру.

Сейчас попробую.

1 час назад, soklakov сказал:

может слишком жестко? попробуйте конвекцию

Согласен что жестко. Однако изменение  температуры охлаждающего теплоносителя: вход 50 выход 66-68 градусов. Измененние не большое. Задание КТО на внешней поверхности не приводит к тому что система начинает адекватно реагировать на изменение давления.

П.С. я еще с такими задачами не сталкивался. Как Fluent считает задачи в которых  есть две среды жидкости, одна из них имеет ламинарное течение а вторая турбулентное  течение? И как такую задачу можно вообще посчитать во Fluent.

1 час назад, soklakov сказал:

вот этот вопрос проработали?

Нет не пробывал. Как по мне даным методом задают условия для нестационарных расчетов. Для стационарных задач можно и Operating condition. Однако видимо необходимо попробывать.

 

1 час назад, soklakov сказал:

3. теплопроводность Гелия постоянна в даном диапазоне изменения давления

Вот таблица из Цененберга. Давление 0,02 МПа и 0,2 МПа. Теплопроводность не меняется. Возможно у Вас есть другаю литература изучу с большим удовольствием. 

Спасибо за рекомендации.

Изменено 4 августа 2021 пользователем morelia

[morelia 3]

1 час назад, morelia сказал:

однажды, циркуляция фторида серы в замкнутом объеме с источниками тепла долго не решалась... пока несконвертили тетру в полихедру.

Попробывал. Результат не изменился. Изменения в десятки кельвина принимаю как погрешность расчета.

[MotorManiac 130]

39 минут назад, morelia сказал:

Попробывал. Результат не изменился. Изменения в десятки кельвина принимаю как погрешность расчета.

 

На первый взгляд - канал высокий и узкий, поэтому степень развития конвекции будет не высока. 

 

17 часов назад, MotorManiac сказал:

Совершенно безумная идея, а процесс стационарный ? может температура образцов меняется когда подается холодный газ - что естественно.....

 

[morelia 3]

55 минут назад, MotorManiac сказал:

Совершенно безумная идея, а процесс стационарный ? может температура образцов меняется когда подается холодный газ - что естественно.....

Процесс стационарный. гелий подается только до момента набора нужной температуры образцов. После его перекрывают. Канал становиться герметичным. Выдерживают так часами, днями, неделями, проще говоря довольно продолжительное время.

Буду еще дополнительно изучать систему. 

[AlexKaz 1 821]

02.08.2021 в 18:02, morelia сказал:

Образец круглого сечения диаметром 6 мм длиной 26мм

Таблицы констант видимо заданы в СИ, а размеры в мм?

[morelia 3]

6 часов назад, soklakov сказал:

Там вроде давление нужно через patch инициализировать, а operating condition.

Попытка не дала результата. Возможно я правда не правильно его использовал. 

перед инициализацией я выставил в operating condition 0Pa. После сделал patch обьема гелия на требуемое давление. Далее провел инициализацию. Расчет.

В результатах я не увидел требуемое давление гелия. 

Температура также не поменялась.

 

13 минут назад, AlexKaz сказал:

Таблицы констант видимо заданы в СИ, а размеры в мм?

?? Я привел таблицу для того что б отобразить неизменность коэфициента теплопроводности при изменении давления.

С размерностью величин я вроде не путал ничего. Спасибо.

[AlexKaz 1 821]

15 минут назад, morelia сказал:

С размерностью величин я вроде не путал ничего.

Ну, я чисто спросить. Если у Вас диаметр 6 мм, а высота погранслоя 6*2 = 12 мм  - то почему этот погранслой не видно от слова совсем? Вы геометрию наверное импортировали из када. Хоть бы посмотрели расход и скорость и нашли площадь чтобы не сомневаться. А то весь форум скоро всполошится почему ничего не работает... Сами же пишите, что не очень в курсе чего там и как.

03.08.2021 в 10:11, morelia сказал:

Порядок скорости врезультате расчета тысячные и десятитысячные м/с. На сколько это верные значения скорости я не знаю. 

Изменено 4 августа 2021 пользователем AlexKaz

[morelia 3]

3 минуты назад, AlexKaz сказал:

Если у Вас диаметр 60 мм, а высота погранслоя 6*2 = 12 мм  - то почему

Теперь понял к чему вопрос. Минимальный зазор в модели 2 мм. Между стенкой корзины и стенкой канала.

Ответ по поводу ПС при построении сетки я возпользовался такой функцией как поджатие слоев в ПС ( Leyer compression) а также указал количество ячеек в зазоре.

Поэтому и вышло что толщина ПС намного меньше 2 мм.

Геометрию я не конвертировал из КАДА. Сделал в SpaceClaim

Спасибо.

 

[AlexKaz 1 821]

02.08.2021 в 18:02, morelia сказал:

Снаружы канал охлаждается водой. Температура воды на входе 50 на выходе принимаем 66 граждусов.

Зная расход воды несложно посчитать количество уносимой теплоты. У Вас через стенку поток тепла эквивалентный в пересчёте в тепло? Если нет - добавляйте вынужденную конвекцию от проточной воды.

Хотя, что я пишу. Если он не будет эквивалентным, то схема разойдётся.

Ускорьте сток тепла вынужденной конвекцией и температура образца упадёт. А то Вы таким граничным условием исключили одно слагаемое из закона Фурье...

Изменено 4 августа 2021 пользователем AlexKaz

[MotorManiac 130]

Во флоусим посчитал похожую задачку. Канал 300х10 мм (2Д решение). Видно, что разницы практически нет. Все тоже самое что и у автора. Значит, что то еще учитывать нужно.  Задавал температуру стенок в качестве ГУ, рассчитывал тепловой поток м/у стенками (излучение не учитывалось).

 

[morelia 3]

Спасибо. За коментарии. Рекомендации. Пока вынужден приостановить решение даной проблемы ввиду того что необходимо расширить дипазон по далениям вплоть до 0,1 Па. 

Необходимо найти свойства гелия при новых давлениях. Скорее всего причина заключается в этом.

П.С, Возможно у кого-нибуть из ВАс есть книги со свойствами Гелия при низких давлених. Буду очень благодарен.

[AlexKaz 1 821]

Второй момент. С чего Вы решили что температура стенки равна температуре воды? Это курс альтернативной логики и новой теплотехники? :)

[MotorManiac 130]

2 минуты назад, morelia сказал:

до 0,1 Па.

Вот даже так, такое давление.  Тогда может получиться, фактически вакуум в установке.

Попробуйте смоделировать задачку тв. телами. Газ - твердое тело с теплопроводностью гелия + некоторая поправка на конвективную составляющую. Тогда можно будет сделать расчет в 2Д постановке (горизонтальное сечение установки)  с периодическими ГУ или симметрией с 1/4 части (если с моделями излучения флюент не поддерживает периодические ГУ). Такой подход сильно уменьшит выч. ресурсы и ускорит расчетное время.

7 минут назад, AlexKaz сказал:

Второй момент. С чего Вы решили что температура стенки равна температуре воды? Это курс альтернативной логики и новой теплотехники? :)

 

Этот параметр ни на что не повлияет. Или 50 или 60 градусов с учетом внешнего теплообмена, это не принципиально здесь.

[morelia 3]

10 минут назад, AlexKaz сказал:

Второй момент. С чего Вы решили что температура стенки равна температуре воды? Это курс альтернативной логики и новой теплотехники? :)

Увеличиваем теплосьем. принимаем что коэффициент теплоотдачи равен бесконечности. Для первого приближения решения задачи такое допустимо.

Наверное, как вы сказали: Новый курс альтернативной логики.

1. Дело в том, что добавление обьема жидкости прибавляет еще пару неизвестных величин. Которые на порядок усложняют задачу. 

2. 

5 часов назад, morelia сказал:

я еще с такими задачами не сталкивался. Как Fluent считает задачи в которых  есть две среды жидкости, одна из них имеет ламинарное течение а вторая турбулентное  течение? И как такую задачу можно вообще посчитать во Fluent.

Спасибо.

П.С. Сейчас бросаю все силы на поиски свойств гелия при низких давлениях. 

[AlexKaz 1 821]

Дело не а пареметре, а перепутаны следствие и причина.

2 часа назад, morelia сказал:

2 часа назад, AlexKaz сказал:

 

Увеличиваем теплосьем. принимаем что коэффициент теплоотдачи равен бесконечности.

Нет. Предлагаю для начала загуглить ченить по конвективному теплообмену омываемых труб. Вам же это знакомо, Рейнольдс и Струхаль точно знакомы.

[karachun 2 038]

6 часов назад, morelia сказал:

П.С. я еще с такими задачами не сталкивался. Как Fluent считает задачи в которых  есть две среды жидкости, одна из них имеет ламинарное течение а вторая турбулентное  течение? И как такую задачу можно вообще посчитать во Fluent.

Я знаю что в Ansys CFX такое возможно. Нужно включить в настройках Beta Options и отключить Constant Domain Physics. И тогда в разных не сообщающихся!!! доменах можно задавать разные модели турбулентности.

[morelia 3]

10 минут назад, AlexKaz сказал:

Рейнольдс и Струхаль точно знакомы.

С числом Струхаля не довелось сталкиваться. 

Скорость воды. 2м/с

Гидравлический диаметр = 4 S/X=4*99/232 = 1,7 мм = 1,7*10e-3 м

вязкость воды 0,478*10е-6 м2/с

Re = wd/v = 2*1,7*10e-3/0,478*10е-6 = 7112

Вот оценочное значение числа Рейнольдса. ( переходной режим) 

3 минуты назад, karachun сказал:

Я знаю что в Ansys CFX такое возможно. Нужно включить в настройках Beta Options и отключить Constant Domain Physics. И тогда в разных не сообщающихся!!! доменах можно задавать разные модели турбулентности.

Спасибо. Не знал. ( это понятно что в не сообщающихся сосудах)

 

[karachun 2 038]

Если домен один (объем общий) то либо смотрите чего больше турбулентного течения или ламинарного либо включайте турбулентное течение, ту же k-w SST модель турбулентности. При низких числах Рейнольдса она выродится в нечто близкое к ламинарному течению. Она же умеет правильно разрешать течение у стенки а оно по определению там переходит от турбулентного у ламинарному.

 

1 минуту назад, morelia сказал:

С числом Струхаля

А зачем он здесь? Это критерий подобия для сравнения течений со срывающимися вихрями, например дорожки фон Кармана за цилиндром.

3 минуты назад, morelia сказал:

это понятно что в не сообщающихся сосудах

Возьмите отдельно домен с ламинарным течением. Посчитайте его в k-w SST и в laminar. Если разница будет небольшая то не стоит о этом и беспокоиться.

[morelia 3]

1 минуту назад, karachun сказал:

А зачем он здесь?

Оно в даной задаче не нужно. Это просто ответ AlexKaz.