Анализ влияния газодинамических процессов на температурную стратификацию в устройстве энергоразделения с учетом закона Бернулли и эффекта Джоуля-Томсона

Cтатья предоставляет анализ ряда газодинамических процессов, влияющих на эффективность работы устройства газодинамической температурной стратификации. Актуальность исследования обусловлена необходимостью более точного описания процессов газодинамической температурной стратификации в устройствах энергоразделения, что имеет значение для повышения эффективности теплообменных и аэродинамических систем. Данная статья направлена на выявление закономерностей перераспределения энергии в потоке с учетом закона Бернулли и эффекта Джоуля-Томсона, а также на анализ их влияния на температурные градиенты внутри устройства газодинамической температурной стратификации. Методом исследования является математическое моделирование, выполненное в среде STAR-CCM+, позволяющее комплексно рассмотреть особенности течения газа, изменение скорости, давления и температуры в системе. В статье представлены результаты численного эксперимента, раскрыты механизмы влияния основных газодинамических эффектов на температурную стратификацию, выявлены ключевые зависимости между входными параметрами устройства и характеристиками потока, обоснована возможность целенаправленной оптимизации энергоразделения. Выведены математические модели, дополненные уравнениями, учитывающими роль закона Бернулли и эффекта Джоуля-Томсона. Рассмотрены соответствующие уравнения. Материалы статьи представляют практическую ценность для разработки и совершенствования энергоразделительных устройств, оптимизации рабочих процессов в газодинамических системах и повышения эффективности температурной стратификации в аэродинамических установках для использования в реальном секторе экономики.

1. Волчков Э.П., Макаров М.С. Газодинамическая температурная стратификация в сверхзвуковом потоке. Известия Российской академии наук. Энергетика. 2006;(2):19–31.

2. Фокеева Е.В., Ковальногов Н.Н. Повышение эффективности газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке*. Тепловые процессы в технике. 2010;2(8):338–341.

3. Макарова М.С. Оптимизация температуры проницаемой стенки при вдуве инородного газа. Тепловые процессы в технике. 2012;4(7):291–296.

4. Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование безмашинного энергоразделения воздушных потоков в трубе Леонтьева. Тепловые процессы в технике. 2015;7(9):397–404.

5. Leontiev A.I., Zditovets A.G., Kiselev N.A., Vinogradov Yu.A., Strongin M.M. Experimental Investigation of Energy (Temperature) Separation of a High-Velocity Air Flow in a Cylindrical Channel with a Permeable Wall. Experimental Thermal and Fluid Science. 2019;105:206–215. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2019.04.002

6. Рудник Р.С., Матвеев А.Ф., Ковальногов В.Н., Шеркунов В.В. Эффективность теплового разделения в различных конфигурациях трубы Леонтьева. Инженерный вестник Дона. 2024;(11):852–865.

7. Цветова Е.В., Ковальногов В.Н., Федоров Р.В. Исследование эффективности комплексных методов интенсификации теплоотдачи при газодинамической температурной стратификации. Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2020;(2–3):24–28.

8. Макаров М.С., Макарова С.Н., Наумкин В.С. Газодинамическое энергоразделение в двух- и трехкаскадных трубах Леонтьева с изолирующей вставкой. В сборнике: Труды седьмой Российской национальной конференции по теплообмену: Том 1, 22–26 октября 2018 года, Москва, Россия. Москва: Издательский дом МЭИ; 2018. С. 205–209.

9. Хазов Д.Е., Медвецкая Н.В. Способы повышения эффективности трубы Леонтьева. Тепловые процессы в технике. 2023;15(12):543–553.

10. Бурцев С.А. Исследование путей повышения эффективности газодинамического энергоразделения. Теплофизика высоких температур. 2014;52(1):14–21. https://doi.org/10.7868/s0040364414010062

11. Ковальногов Н.Н., Выбор оптимальных параметров процесса газодинамической температурной стратификации в сверхзвуковом газовом потоке. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2010;(3):28–31.

12. Бурцев С.А. Исследование устройства температурной стратификации при работе на природном газе. Наука и образование: научное издание Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. 2004;(9):1–21.

13. Леонтьев А.И. Способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления (Труба Леонтьева): заявл. 23.05.1996; опубл. 10.03.1998. Патент № 2106581 Российская Федерация, F25B9/02.10.03.1998.

14. Кубланов М.С. Проверка адекватности математических моделей. Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2015;(211):29–36.

15. Леонтьев А.И., Бурцев С.А., Визель Я.М., Чижиков Ю.В. Экспериментальное исследование газодинамической температурной стратификации природного газа. Газовая промышленность. 2002;(11):72–75.