Расчет скорости, температуры и их флуктуаций в т-образном смесителе воды различной температуры с использованием вихреразрешающих подходов к моделированию турбулентности

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Проведено сравнительное исследование возможностей различных глобальных и зонных вихреразрешающих подходов к моделированию турбулентности для предсказания средних и пульсационных характеристик теплообмена в трубопроводах с T-образными соединениями. Показано, что наилучшее согласие с экспериментальными данными обеспечивает зонный RANS–IDDES-подход. Продемонстрировано, что этот метод применим для расчета более сложных конфигураций с поворотами магистральной трубы, расположенными против потока от Т-образного соединения. Проведено параметрическое исследование таких конфигураций.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. В. Гарбарук

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Author for correspondence.
Email: agarbaruk@cfd.spbstu.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

М. С. Грицкевич

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: agarbaruk@cfd.spbstu.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  1. Boley B.A., Weiner J.W. Theory of Thermal Stresses. N.Y.: John Wiley, 1960. 586 p.
  2. Kimura N., Ogawa H., Kamide H. Experimental Study on Fluid Mixing Phenomena in T-pipe Junction with Upstream Elbow // Nucl. Eng. Des. 2010. V. 240. P. 3055.
  3. Tunstall R., Laurence D., Prosser R., Skillen A. Large Eddy Simulation of a T-Junction with Upstream Elbow: The Role of Dean Vortices in Thermal Fatigue // Appl. Therm. Eng. 2016. V. 107. P. 672.
  4. Lu T., Attinger D., Liu S.M. Large-eddy Simulations of Velocity and Temperature Fluctuations in Hot and Cold Fluids Mixing in a Tee Junction with an Upstream Straight or Elbow Main Pipe // Nucl. Eng. Des. 2013. V. 263. P. 32.
  5. Харламов С.Н., Фатьянов Д.С. Моделирование пространственных течений вязких сред в системе каналов с участками соединений сложной формы // Изв. Томск. политехн. ун-та. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332. № 5. С. 70.
  6. Курносов М.М. Разработка расчетной модели для определения локальных параметров теплоносителя в тройниковых соединениях трубопроводов реакторных установок ВВЭР. Дис. … канд. техн. наук. Подольск: ОАО ОКБ «Гидропресс», 2014. 162 с.
  7. Тупоносов Ф.В., Артемов В.И., Яньков Г.Г. и др. Моделирование процессов смешения однофазных сред в тройниковых соединениях // Теплоэнергетика. 2023. № 9. С. 45.
  8. Braillard O., Jarny Y., Balmigere G. Thermal Load Determination in the Mixing Tee Impacted by a Turbulent Flow Generated by Two Fluids at Large Gap of Temperature // Proc. 13th Int. Conf. on Nuclear Engineering (ICONE13-50361). Beijing. China. 16–20 May. 2005.
  9. Frank T., Lifante C., Prasser H.-M., Menter F. Simulation of Turbulent and Thermal Mixing in T-junctions Using URANS and Scale-resolving Turbulence Models in ANSYS CFX // Nucl. Eng. Des. 2010. V. 240. P. 2313.
  10. Hu L.-W., Kazimi M.S. Large Eddy Simulation of Water Coolant Thermal Striping in a Mixing Tee Junction // Proc. 10th Int. Topical Meeting in Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-10). Seoul. Korea. 5–9 Oct. 2003. 10 p.
  11. Igarashi M., Tanaka M., Kimura N., Kamide H. Study on Fluid Mixing Phenomena for Evaluation of Thermal Striping in a Mixing Tee // Proc. 10th Int. Topical Meeting in Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-10). Seoul. Korea. 5–9 Oct. 2003. 12 p.
  12. Ohtsuka M., Kawamura T., Fukuda T., Moriya S., Shiina K., Kurosaki M., Minami Y., Madarame H. LES Analysis of Fluid Temperature Fluctuations in a Mixing Tee Pipe with the Same Diameters // Proc.11th Int. Conf. on Nuclear Engineering (ICONE 11-36064). Tokyo. Japan. 20–23 Apr. 2003.
  13. Spalart P.R., Jou W.H., Strelets M., Allmaras S.R. Comments on the Feaslibility of LES for Wings, and on a Hybrid RANS/LES Approach // Proc. 1st AFOSR Int. Conf. on DND/LES. 1997. 11 p.
  14. Spalart P.R., Deck S., Shur M.L., Squires K.D., Strelets M.K., Travin A. A New Version of Detached-eddy Simulation, Resistant to Ambiguous Grid Densities // Theor. Comput. Fluid Dyn. 2006. V. 20. P. 181.
  15. Shur M.L., Spalart P.R., Strelets M.Kh., Travin A.K. A Hybrid RANS-LES Approach with Delayed-DES and Wall-modeled LES Capabilities // Int. J. Heat Fluid Flow. 2008. V. 29. P. 1638.
  16. Gritskevich M.S., Garbaruk A.V., Schütze J., Menter F.R. Development of DDES and IDDES Formulations for the k–ω Shear Stress Transport Model // Flow Turbul. Combust. 2012. V. 88. P. 431.
  17. Menter F.R., Egorov Y. The Scale-adaptive Simulation Method for Unsteady Turbulent Flow Predictions. Part 1: Theory and Model Description // Flow Turbul. Combust. 2010. V. 85.P. 113.
  18. Odemark Y., Green T.M., Angele K., Westin J., Alavyoon F., Lundström S. High-cycle Thermal Fatigue in Mixing Tees: New Large-eddy Simiulations Validated Against New Data Obtained by PIV in the Vattenfall Experiment // Proc. 17th Int. Conf. on Nuclear Engineering. Brussels. Belgium. 12–16 July. 2009.
  19. Mahaffy J. Synthesis of Results for the T-Junction Benchmark // Proc. CFD4NRS-3 Conf. on Experimental Validation of CFD and CMFD Codes to Nuclear Reactor Safety Issues. Washington. DC. USA. 14–16 Sept. 2010.
  20. OECD/NEA T-Junction Benchmark Specifications // OECD/NEA & Vattenfall. 2009.
  21. Smith B.L., Mahaffy J.H., Angele K., Westin J. Report of the OECD/NEA-Vattenfall T-Junction Benchmark Exercise. Report No. NEA/CSNI/R(2011)-5. 2011. 92 p.
  22. Shur M.L., Spalart P.R., Strelets M. Kh., Travin A.K. Synthetic Turbulence Generator for RANS-LES Interfaces in Zonal Simulations of Aerodynamic and Aeroacoustic Problems // Flow Turbul. Combust. 2014. V. 93(1). P. 63.
  23. ANSYS Fluent Manual: Release 16.0. ANSYS Inc. Canonsburg. 2016.
  24. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Experience with the SST Turbulence Model // Proc. 4th Int. Symp. on Turbulence, Heat and Mass Transfer. 2003. P. 625.
  25. Rhie C.M., Chow W.L. Numerical Study of the Turbulent Flow Past an Airfoil with Trailing Edge Separation // AIAA J. 1983. V. 21. P. 1525.
  26. Faidy C. Thermal Fatigue in Mixing Tees: Status and Justification of French Assessment Method // 12th Int. Conf. on Nuclear Engineering. 25–29 Apr. 2004. 8 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Side view of the Vattenfall T-joint test rig [18].

Download (35KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Schematic diagram of the computational domain, boundary conditions (a) and computational grid (b) for the flow in a T-joint of pipes.

Download (19KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Isosurfaces of the Q criterion (Q = 200 s-2), their color corresponds to the value of the x-component of the velocity vector: (a) - side view, (b) - top view.

Download (46KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Comparison of the calculated and experimental narrowband spectra of the u- (a), (c) and v-components (b), (d) of the velocity with a passband of 0.3 Hz at the points shown in the inset in part (c); (a), (b) - x/D0 = 1.6; (c), (d) -4.6; 1 – f-5/3, 2 – experiment, 3 – DDES calculation, 4 – SAS, 5 – zonal IDDES.

Download (58KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Comparison of the average velocity profiles (a), (b) and its standard deviation (c), (d) along vertical lines in the xz symmetry plane at x/D0 = 1.6, 2.6, 3.6 and 4.6: 1 – experiment, 2 – DDES calculation, 3 – SAS, 4 – IDDES, 5 – zonal IDDES.

Download (49KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Comparison of the longitudinal distributions of the average temperature (a) and its standard deviation (b) on the wall of the main pipe (c), calculated using different eddy-resolving approaches, with experimental data: 1–5 – see Fig. 5.

Download (47KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Computational domain and boundary conditions for straight (a) and turning (b) geometries; the origin of coordinates is located at the intersection point of the axes of the main pipe and the branch pipe.

Download (22KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Comparison of the profiles of the average longitudinal velocity (a), its standard deviation (b) and the profiles of the average temperature (c) and its standard deviation (d) at x/D = 0.5: 1 - experiment, straight configuration; 2 - calculation by zonal IDDES, straight; 3 - experiment, rotary; 4 - calculation by zonal IDDES, rotary.

Download (44KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. The influence of the angle φ and the distance L/D between the elbow and the branch pipe on the contours of instantaneous vorticity and the streamlines of the average flow in the plane y = 0.

Download (115KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Effect of parameters φ and L/D on distributions of average temperature (a)–(c) and its standard deviation (d)–(e) along line z = 0.5 in plane y = 0, as well as on azimuthal distributions of maximum standard deviations of temperature (g)–(i): 1 – L/D = 1, φ = 0°; 2 – 1, 90°; 3 – 1, 180°; 4 – straight configuration; 5 – 4, 0°; 6 – 4, 90°; 7 – 4, 180°; 8 – 2, 0°; 9 – 2, 90°; 10 – 2, 180°.

Download (70KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».