Obliczenia przepływowe przy wykorzystaniu narzędzi numerycznej mechaniki

Generator ATEG1

Obliczenia przepływowe dla generatora ATEG1 wykonano przy współudziale pracowników naukowych Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej (członek konsorcjum naukowego realizujący projekt w ramach Programu Badań Stosowanych). Analiza wymiennika ciepła generatora ATEG1 przeprowadzono za pomocą modelowania komputerowego metodą objętości skończonych w programie Ansys CFX v12.1, v14 i v15. Modele rozwiązywano w 100–150 iteracjach. Końcowe niezbilansowanie domen zarówno cieplne, jak i przepływowe, nie przekraczało 1%.

Stosowano model przepływu Shear Stress Transport wraz ze schematem części adwekcyjnej typu Upwind. Analizowano jedynie stan ustalony układu [76].

Analizowano kilka wariantów wymiennika ciepła: bez deflektora, z deflektorem o długości 270 i 310 mm (rys. 8.3). Wszystkie analizowane przypadki dotyczyły wymiennika w wersji aluminiowej o stałej przewodności cieplnej λ = 237 W/mK.

Powietrze stanowiło medium przepływające traktowane jako gaz doskonały przy ciśnieniu 1 atm. Na wlocie wymiennika przyjmowano dziewięć różnych warunków brzegowych (różne wartości masowego natężenia przepływu i temperatury gazów wylotowych) zdefiniowanych na podstawie wyników badań opisanych w rozdziale 7.

dla pojazdu PC1. Rozważono cztery warianty:

a) ṁgw = 0,01 kg/s przy i tgw = 350^oC, b) ṁ_gw = 0,03 kg/s przy i t_gw = 350^oC, c) ṁgw = 0,05 kg/s przy i tgw = 350^oC, d) ṁgw = 0,01 kg/s przy i tgw = 500^oC,

Powierzchnia końcowa medium traktowana była jako wylot swobodny. Na płaskich powierzchniach zewnętrznych przyjęto konwekcyjny warunek brzegowy, obejmujący współczynnik przejmowania ciepła α = 80 W/m²K oraz temperaturę 200^oC [76].

Rozkład temperatury w wymienniku ciepła generatora ATEG1 bez zastosowania deflektora (rys. 8.4) charakteryzował się występującymi największymi wartościami

temperatury wzdłuż kanału okrągłego. Wynika z tego, że zasadnicza cześć strumienia gazów wylotowych przepływa przez środek wymiennika, a tylko jego nieznaczna ilość dociera do ramion wymiennika. Potwierdzają to otrzymane rozkłady prędkości przepływu gazów wylotowych (rys. 8.5). Wpłynęło to także na nierównomierny rozkład temperatury na poszczególnych ramionach wymiennika.

a) b)

Rys. 8.3. Przekrój generatora ATEG1 wraz z zamontowanym deflektorem:

a) deflektor o długości 270 mm, b) deflektor o długości 310 mm [76]

a) b)

c) d)

Rys. 8.4. Rozkład temperatury gazów wylotowych na przekroju wzdłużnym wymiennika ciepła generatora ATEG1 dla gazów wylotowych o parametrach : a) ṁgw = 0,01 kg/s, t_gw = 350^oC, b) ṁgw = 0,03 kg/s, tgw = 350^oC, c) ṁgw = 0,05 kg/s, tgw = 350^oC, d) ṁgw = 0,05 kg/s, tgw = 500^oC [76]

Badania symulacyjne wykazały, że największa temperatura występuje na początku oraz na końcu prostokątnego odcinka ramienia i w miarę przybliżania się do środkowej części następuje jej spadek (rys. 8.6). Różnice w rozkładzie temperatury występują również wzdłuż wysokości ramienia. Potwierdziły to także wstępne badania walidacyjne na modelu rzeczywistym przeprowadzone na silnikowych stanowiskach hamulcowych. Z tego względu w wymienniku ciepła konieczne było zastosowanie kierownicy (deflektora), która będzie kierowała strumień gazów wylotowych do jego ramion. W obliczeniach numerycznych zastosowano dwa deflektory o długości 270 i 310 mm. Otrzymane wyniki wykazały większy wzrost strat mocy (wywołanych wewnętrznymi oporami przepływu) wskutek umieszczenia deflektorów w wymienniku

ciepła. Z tego względu w dalszych pracach wykonywanych w ramach rozprawy doktorskiej zrezygnowano z wykorzystania generatora ATEG1.

a) b)

c) d)

Rys. 8.5. Rozkład prędkości przepływu gazów wylotowych w wymienniku ciepła generatora ATEG1 dla: a) ṁ_gw = 0,01 kg/s, t_gw = 350^oC, b) ṁ_gw = 0,03 kg/s, t_gw = 350^oC,

c) ṁgw = 0,05 kg/s, tgw = 350^oC, d) ṁgw = 0,05 kg/s i tgw = 500^oC [76]

a) b)

c) d)

Rys. 8.6. Rozkład temperatury na powierzchniach odbioru ciepła wymiennika ciepła generatora ATEG1 dla: a) ṁ_gw = 0,01 kg/s, t_gw = 350^oC, b) ṁ_gw = 0,03 kg/s, t_gw = 350^oC,

c) ṁ_gw = 0,05 kg/s, t_gw = 350^oC, d) ṁ_gw = 0,05 kg/s i t_gw = 500^oC [76]

Generator ATEG2

Analizy CFD dla generatora ATEG2 wykonano przy wykorzystaniu akademickiej wersji oprogramowania Ansys CFX v16. Do prac przyjęto wartości temperatury i masowego natężenia przepływu gazów wylotowych uzyskane przez pojazd PC3 podczas badań w warunkach rzeczywistej eksploatacji opisane w rozdziale 7.:

ṁgw = 0,01 kg/s i tgw = 300^oC, ṁgw = 0,015 kg/s i tgw = 450^oC oraz ṁgw = 0,02 kg/s i tgw = 500^oC. W pierwszej kolejności zaimplementowano model geometrii wymiennika ATEG2 stworzony w oprogramowaniu CAD (rys. 8.7). Na potrzeby analizy numerycznej usunięto wszystkie zbędne elementy niewpływające na wyniki prowadzonych prac. W ostateczności geometrię tę dostosowano do analizy CFD i analizy termicznej. Do przeprowadzenia analizy CFD wygenerowano z objętości wewnętrznej wymiennika ciepła, objętość gazów wylotowych (rys. 8.8).

Rys. 8.7. Model geometryczny generatora ATEG2 zaimportowany z programu CAD

Rys. 8.8. Model wnętrza generatora ATEG2 do analizy CFD

Kolejnym krokiem przeprowadzonej analizy była dyskretyzacja geometrii dla planowanych symulacji MES (Metoda Elementów Skończonych) i MOS (Metoda Objętości Skończonych). Dla powyższych geometrii utworzono siatki obliczeniowe typu niestrukturalnego (rys. 8.9). Są to siatki o wysokim stopniu złożoności służące do opisu najbardziej skomplikowanych geometrii. W przypadku siatek dwuwymiarowych elementami są najczęściej trójkąty lub czworoboki, a w siatkach trójwymiarowych są to sześciany, czworościany, graniastosłupy oraz piramidy. Ten etap pracy jest najbardziej czasochłonny, gdyż wymaga utworzenia siatki o wysokiej dokładności, co bezpośrednio przekłada się na jakość i czas obliczeń. W systemie Ansys zaimplementowane są podstawowe narzędzia służące do oceny jakości siatki. Dyskretyzację geometrii prowadzi się przez zastosowanie odpowiedniej metody tworzenia siatki. Wymaga to od obsługującego wygenerowania kilku siatek i przeprowadzenie optymalizacji wielokryterialnej. Osiągnięcie kompromisu pomiędzy wszystkimi parametrami

doprowadza do wygenerowania siatki użytej do analizy. Przyjęto, że wielkość pojedynczego elementu wynosiła 0,001 m. Na rysunku 8.10 przedstawiono siatkę do analizy CFD, a na rysunku 8.11 przedstawiono siatkę do analizy termicznej.

Rys. 8.9. Model MES do analizy termicznej Rys. 8.10. Model siatki do analizy CFD

Rys. 8.11. Model siatki do analizy termicznej

W celu określenia warunków brzegowych do analizy termicznej wykonano w pierwszej kolejności analizę CFD. Na jej podstawie uzyskano informacje dotyczące rozkładu prędkości, ciśnienia oraz parametrów wpływających na wartość wymiany ciepła, takich jak energia kinetyczna turbulencji oraz szybkość dyssypacji energii kinetycznej turbulencji. Wyniki analizy przedstawiono w postaci rozkładu prędkości (rys. 8.12). Wynika z niego, że największa prędkość przepływu gazów występowała na wlocie i wylocie z generatora ATEG2.

Rys. 8.12. Rozkład prędkości przepływu gazów wylotowych w przekroju wzdłużnym generatora ATEG2

W kolejnym etapie wykonano symulację parametrów wymiany ciepła – rozkład temperatury i gęstości strumienia ciepła na powierzchni żeber wymiennika oraz na ściankach zewnętrznych. Przyjęto tu warunki brzegowe określone we wstępie (rys. 8.13). Temperatura strony gorącej modułów TEM wynosiła maksymalnie 200^oC.

Współczynnik przejmowania ciepła α dobrano na podstawie danych ujętych w literaturze przedmiotu i mieścił się on w przedziale 80–180 W/m²K [118]. Poniżej zaprezentowano wyniki symulacji rozkładu temperatury oraz rozkładu gęstości strumienia ciepła na powierzchni żeber wymiennika ATEG2.

Rys. 8.13. Warunki brzegowe dla analizy termicznej: ṁ_gw = 0,020 kg/s, t_gw = 500^oC i α = 180 W/m²K

Zaprezentowane wyniki dla ṁ_gw = 0,020 kg/s, t_gw = 500^oC stanowiły największe obciążenie cieplne konstrukcji wymiennika ciepła generatora ATEG2. Temperatura wzdłuż krawędzi wlotowej i wylotowej wymiennika jest najbardziej zmienna (rys. 8.14). W pozostałym obszarze powierzchni zewnętrznej wymiennika ATEG2 moduły TEM w równomierny sposób chłodzą powierzchnię. W przypadku rozkładu temperatury na żebrach wewnętrznych wyróżnić można obszar żebra intensywnie nagrzewającego się do maksymalnej temperatury w przepływie równej 481,65^oC (rys. 8.15). Zwrócono uwagę, że najwyższą temperaturę uzyskano w obszarze

o najmniejszym polu przekroju poprzecznego. Wraz ze wzrostem przekroju żebra temperatura obniżała się.

Rys. 8.14. Rozkład temperatury na powierzchni zewnętrznej generatora ATEG2 dla ṁgw = 0,020 kg/s, t_gw = 500^oC i α = 180 W/m²K

Rys. 8.15. Rozkład temperatury na powierzchni wewnętrznej żeber generatora ATEG2 dla ṁgw = 0,020 kg/s, t_gw = 500^oC i α = 180 W/m²K wraz z zaznaczonym strzałką kierunkiem przepływu GW

Analizując rozkład gęstości strumienia ciepła przepływającego przez generator ATEG2, zaobserwowano, że największe gradienty temperatury występowały w obszarze krawędzi wlotowej i wylotowej (rys. 8.16). W przypadku gęstości strumienia ciepła na powierzchni zewnętrznej największe wartości uzyskano w pobliżu modułów TEM. We wnętrzu generatora ATEG2 zaobserwowano podobne zależności – największa gęstość strumienia ciepła wystąpiła u podstawy żebra (rys. 8.17).

Rys. 8.16. Rozkład gęstości strumienia ciepła na powierzchni zewnętrznej generatora ATEG2 dla ṁ_gw = 0,020 kg/s, t_gw = 500^oC i α = 180 W/m²K

Rys. 8.17. Rozkład gęstości strumienia ciepła na powierzchni wewnętrznej generatora ATEG2 dla ṁgw = 0,020 kg/s, t_gw = 500^oC i α = 180 W/m²K wraz z zaznaczonym strzałką kierunkiem przepływu GW

W pozostałych rozważanych wariantach uzyskano podobne zależności jak dla rozpatrywanych powyżej. Przykładowe wyniki prac symulacyjnych przedstawiono na rysunkach 8.18–8.26. Wynika z nich, że na powierzchni zewnętrznej generatora ATEG2 uzyskiwano prawie równomierny rozkład temperatury. Największe wartości gęstości strumienia ciepła występowały przy modułach TEM, a we wnętrzu generatora ATEG2 przy podstawie żebra. Na podstawie wyników prac symulacyjnych zdecydowano, że na dalszym etapie rozprawy doktorskiej wykonane zostaną pomiary przy użyciu generatora ATEG2 mające na celu spełnienie przyjętego celu głównego dysertacji.

Rys. 8.18. Warunki brzegowe dla analizy termicznej: ṁ_gw = 0,020 kg/s, t_gw = 500^oC i α = 80 W/m²K

Rys. 8.19. Rozkład temperatury na powierzchni zewnętrznej generatora ATEG2 dla ṁgw = 0,020 kg/s, tgw = 500^oC i α = 80 W/m²K

Rys. 8.20. Rozkład temperatury na powierzchni wewnętrznej żeber generatora ATEG2 dla ṁgw = 0,020 kg/s, t_gw = 500^oC i α = 80 W/m²K wraz z zaznaczonym strzałką kierunkiem przepływu GW

Rys. 8.21. Rozkład gęstości strumienia ciepła na powierzchni zewnętrznej generatora ATEG2 dla ṁgw = 0,020 kg/s, t_gw = 500^oC i α = 80 W/m²K

Rys. 8.22. Rozkład gęstości strumienia ciepła na powierzchni wewnętrznej generatora ATEG2 dla ṁ_gw = 0,020 kg/s, t_gw = 500^oC i α = 80 W/m²K wraz z zaznaczonym strzałką kierunkiem przepływu GW

Rys. 8.23. Warunki brzegowe dla analizy termicznej: ṁ_gw = 0,015 kg/s, t_gw = 450^oC i α = 180 W/m²K

Rys. 8.24. Rozkład temperatury na powierzchni zewnętrznej generatora ATEG2 dla ṁ_gw = 0,015 kg/s, t_gw = 450^oC i α = 180 W/m²K

Rys. 8.25. Rozkład temperatury na powierzchni wewnętrznej żeber generatora ATEG2 dla ṁgw = 0,015 kg/s, t_gw = 450^oC i α = 180 W/m²K wraz z zaznaczonym strzałką kierunkiem przepływu GW

Rys. 8.26. Rozkład gęstości strumienia ciepła na powierzchni zewnętrznej generatora ATEG2 dla ṁ_gw = 0,015 kg/s, t_gw = 450^oC i α = 180 W/m²K

9. Analiza odzysku strumienia energii gazów wylotowych