Оцінка дії вітру на процес перемішування водних мас у водоймищі-охолоджувачі

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механика


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Восточно-Европейский журнал передовым технологий
> ---------------------------1 I-
¦а q
Проведено теоретичні дослідження дії вітру на процес перемішування водних мас в поверхневому шарі теплої води глибоководних страти-фікованих водоймищ-охолоджувачів на базі аналізу рівняння балансу кінетичної енергії.
Ключові слова: водоймище-охоло-джувач, пульсаційна енергія, енергія турбулентності.
?---------------------------------?
Проведены теоретические исследования действия ветра на процесс перемешивания водных масс в поверхностном слое теплой воды глубоководных стратифицированных водоемов-охладителей на базе анализа уравнения баланса кинетической энергии.
Ключевые слова: водоем-охладитель, пульсационная энергия, энергия турбулентности.
?---------------------------------?
Theoretical researches of action of wind are conducted on the process of interfusion of the water masses in the superficial layer of warm water of the deep-water stratified reservoirs-coolers on the base of analysis of equalization of balance of kinetic energy.
Keywords: reservoir-cooler, pulsation energy, energy of turbulence.
¦Q О
УДК 627. 173. 3
оцінка дії вітру НА ПРОЦЕС перемішування ВОДНИХ МАС у водоймищі-охолоджувачі
Л. Н. Антонова
Ведучий інженер
Тепломеханічний відділ ВАТ Харківський науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут «Енергопроект»
Д. В. Михайський
Старший викладач* Контактний тел.: (057) 733−79−43
Г. І. Канюк
Доктор технічних наук, професор, завідуючий кафедрою*
Контактний тел.: (057) 731−15−27
Л. М. Омельченко
Доцент*
Контактний тел.: (057) 733−79−43
В. В. Червоний
Асистент*
Контактний тел.: (057) 733−79−43
А. Р. Місько
Асистент*
Контактний тел.: (057) 733−79−43
*Кафедра теплоенергетики та енергозбереження Українська інженерно-педагогічна академія вул. Університетська, 16, м. Харків, Україна, 61 003
Вступ
Теоретичні дослідження проведено на базі аналізу рівняння балансу кінетичної енергії з урахуванням процесів породження під дією зрушення швидкості і взаємодії хвилевих і турбулентних рухів, швидкості дисипації пульсаційної енергії, обумовленої перекиданням поверхневих хвиль.
Механізм транспорту пульсаційної енергії зумовлюється утворенням шару кінцевої товщини, в якому відбувається стабілізація процесів конвекції і турбулентної дифузії. Поверхневий теплий шар (епілімніон) із зростанням температури води повільно поширює свою нижню межу в глибину водосховища. При цьому, температура донних шарів теж підвищується, але незначно. Натурні дослідження показали, що в області донного (гіполімніо-на) і поверхневого (епілімніона) шарів вертикальний температурний градієнт неістотно малий. Між епілімніоном і гіполімніоном присутній шар води, в межах якого температурний градієнт dt / dZ набуває максимального
значення. Цю область називають шаром розділу, нижня межа якого є нижньою межею термокліну.
В результаті дії вітру на поверхню розділу «вода — повітря», у верхньому шарі водосховища виникає складна структура турбулентного руху, що складається з:
¦ деякого середнього перенесення мас у напрямі розподілу основних компонентів, що містять енергію спектру вітрових хвиль, співпадаючого з напрямом приводного вітру-
¦ впорядкованих орбітальних рухів рідких часток, обумовлених присутністю спектру гравітаційно-капілярних хвиль на поверхні водосховища-
¦ турбулентних рухів різних масштабів.
Аналіз і результати досліджень
У загальному вигляді рівняння балансу пульсацій-ної енергії в широкому діапазоні хвилевих чисел (або
З
масштабів турбулентності) може бути визначене за допомогою рівняння [1]:
^=п+д+В-а
(1)
П + В= D.
П = Пі + П2,
-аи
де П1 = -u/w/ - швидкість породження під дією усе-
редненого зрушення швидкості і напруження Рейнольдса, яка апроксимується залежністю [2]:
Ш& quot-
'- хг '
Швидкість породження енергії турбулентності (П2) під дією зрушення хвилевих складових і пульсацій хвиль, що перевертаються запишеться у вигляді [3]:
П2 = П2оЄХр (-кг),
(5)
де Е — кінетична енергія турбулентності- П — швидкість породження кінетичної енергії турбулентності- Д — швидкість дифузійного перенесення кінетичної енергії турбулентності у вертикальному напрямі, яка обумовлена вертикальною неоднорідністю інтенсивності пульсацій-ного руху- В — швидкість перенесення кінетичної енергії турбулентності під дією сил плавучості- D — швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентності.
Розглядається турбулентний режим в поверхневому шарі, виходячи з простої моделі стаціонарного горизонтального однорідного турбулентного потоку із зрушенням швидкості, в якому и = и (г) + и'-, w = w/.
Тут и — горизонтальна компонента швидкості уздовж осі X, співпадаюча з напрямом поширення вітрових хвиль великої амплітуди (і з напрямом приводного вітру) — у — вертикальна компонента стічної і дрейфової течій- и (г) — середня швидкість, що включає компоненту дрейфової і стічної течій-г — вертикальна координата, направлена у глиб водосховища-^ і У — пульсації швидкості, що включають флуктуації з масштабами поверхневих вітрових хвиль. Період усереднювання Т повинен задовольняти умові:
Т & gt->- 1/ ю0,
де ш0 — характерна частота компонент, що містять енергію спектру вітрових хвиль.
При розвиненому хвилюванні інтенсивність турбулентності і її кінетична енергія підтримується ін'єкцією спорадичних спалахів енергії дрібномасштабної турбулентності у момент перекидання хвиль. Плями турбулентності, що утворюються, дифундують на деяку глибину, яка не перевищує довжину перекидаючих хвиль [2], тобто, в межах шару вітрового перемішування. У вертикальному напрямі конвективний і дифузійний потоки енергії передбачаються неістотними в порівнянні зі швидкістю дисипації і породження. Це припущення виходить з механізму формування однорідного турбулентного шару вітрового перемішування. Отже, & lt-ІЕ/<-ІЕ = 0 і швидкість дифузійного перенесення (Д) виключаємо з розгляду.
З врахуванням вказаних обмежень, рівняння (1) зведемо до вигляду:
де к = (2л/Х ^ - хвилеве число- ^ - довжина хвилевих збурень. Швидкість породження енергії турбулентності на вільній поверхні П2о, де процес перекидання хвиль обумовлює потік енергії виражається залежністю [2]:
П2о =
СуШ2
хго '
(6)
де ^ - фазова швидкість перекидання хвиль^о — деякий масштаб, що визначається розмірами вихорів, які утворюються при перекиданні хвиль.
На підставі викладеного вище, апроксимуємо член П рівняння (2) у вигляді:
(7)
де к" = к1к- к1 = 3 — емпіричний коефіцієнт, значення якого набуте з умови сумірності темпу падіння швидкостей породження і дисипації по глибині.
Робота проти сил плавучості обумовлена вертикальною температурною неоднорідністю в поверхневому шарі водоймища. В області термокліну найбільш виражена вертикальна температурна неоднорідність в той час, як в шарі вітрового перемішування (епілімніону) має місце практично однорідний розподіл температур (рис. 1).
Рис. 1. Схема характерного профілю розподілу температур по вертикалі в стратифікованому потоці
Швидкість перенесення кінетичної турбулентної енергії під дією сил плавучості (В) визначиться по залежності [4]:
(2)
Швидкість породження енергії турбулентності (П) може бути представлена у вигляді:
в = -«ЦКт §-,
(8)
(3)
де в — коефіцієнт об'ємного розширення^ - гравітаційне прискорення-9t/ЭZ — вертикальний градієнт температур.
Кт — коефіцієнт турбулентної температуропровідності, який можна виразити з допомогою залежності на основі теорії подібності [5]:
Кт =
Кп
Рц (1 +ОІІІ) '
(9)
(4)
де Яі - число Річардсона, що є параметром густинної стратифікації потоку, виражається залежністю:
де W» — динамічна швидкість вітру з врахуванням поверхневої напруги, м/с•-Z — глибина, м- % = 0,42 _ постійна Кармана.
І")2
(10)
Е
Рц = 1,0 — турбулентне число Прандтля для розвиненої турбулентності- Рц = Кт/Кт — Кт — коефіцієнт турбулентного обміну імпульсів при нейтральній стратифікації.
Кт = W*Zx. (11)
З урахуванням вищевказаних складових, швидкість перенесення кінетичної турбулентної енергії під впливом сил плавучості виразиться залежністю:
№, 3
В = -
Ш
X (1+ оШ)'
(12)
D = 7
D ТА, І А,
ехр
-(
= А, ('-ПЛ3 (А, 43
Нзт = М С ХІ 1 + %ехр
Ь
6пН
А ,
ехр
6пН3
ТТ
м.
Ztk = Н5т +, м,
Рис. 2. Залежність глибини вітрового перемішування ^ від швидкості вітру W і довжини розгону хвиль L для глибоководних водосховищ-охолоджувачів
зо
25
20
15
10
0
Я д/ 1?'М
Ш ,--'-9 & quot-

5
1
У, м/с
10
12
Швидкість дисипації (D) кінетичної енергії турбулентності в умовах хвиль, що перекидаються, на підставі теоретичних досліджень [4], оцінюється залежністю:
(13)
де у = 1 — емпіричний коефіцієнт- ^ - середня висота вітрових хвиль, яка визначається в залежності від довжини розгону хвиль (Ь) і швидкості вітру (W).
З урахуванням приведених вище апроксимацій для П, В, D і, підставивши Z = Нзт у рівняння (2), отримаємо залежність, що оцінює товщину шару вітрового перемішування [6]:
(14)
Рівняння (14) є трансцендентним і вирішується чисельними методами. Чисельна реалізація залежності (14) представлена графічно у вигляді функціональних залежностей Нзт = f (W•, L) и Aw = f (W•, L) на рис. 2 і 3. Значення параметрів хвиль рекомендується визначати по залежностях, приведених в [7].
Глибина залягання термокліну в ближній зоні водо-сховища-охолоджувача, з урахуванням товщини шару вітрового перемішування (рис. 1), визначиться за залежністю:
(15)
де 8 — товщина шару розділу при двошаровій стратифікації. В результаті обробки експериментальних даних [6], отримані емпіричні залежності для визначення величини 8.
Рис. 3. Залежність довжини вітрових хвиль від швидкості вітру W і довжини розгону хвиль І_ для глибоководних водосховищ-охолоджувачів
¦ 8 = 0,20Н, м — при (Др/р2) & lt- 0,002-
¦ 8 = 0,11Н, м — при (Др/р2) & gt- 0,013-
¦ 8 = Н[ехр (-0,35 751п (Др/р2) — 3,8222)], м — при 0,002 & lt- (Др/р2) & lt- 0,013.
Дослідження показали, що глибина вітрового перемішування в значній мірі залежить від довжини розгону хвиль: при швидкості вітру W = 1−20 м/с і довжині розгону хвиль Ь = 1 км зміна глибини вітрового перемішування (Нзт) змінюється від 0 до 1 м (при максимальній швидкості вітру 10 м/с), а потім вона стабілізується. При збільшенні довжини розгону хвиль відбувається різке збільшення глибини перемішування: при Ь = 7 км і швидкості вітру W = 5 м/с — Нзт = 2,0 м- при Ь = 19 км і W = 5 м/с — Нзт = 3,2 м.
Висновки
При визначенні товщини шару вітрового перемішування на водоймищах-охолоджувачах облік довжини розгону хвиль обов’язковий [6].
Приведені графіки зручні для практичного вживання
і дозволяють для розрахункової швидкості вітру і довжи-
ни розгону хвиль оцінити товщину шару вітрового перемішування і, відповідно, глибину залягання термоклі-ну, тобто визначити можливість вживання водовипуску
з водозабором поєднаного типу в глибоководному во-доймищі-охолоджувачі.
Література
1. Монин А. С. Статическая гидромеханика [Текст] / А. С. Мо-нин, А. М. Яглом. — М.: Наука, 1965. — 639 с.
2. Филипс О. М. Динамика верхнего слоя океана [Текст] / О. М. Филлипс. — Л.: Гидрометеоиздат, 1980. — 319 с.
3. Бенилов А. Ю. Физика атмосферы и океана [Текст]. Т. 5. Экспериментальные данные о мелкомасштабной морской турбулентности / А. Ю. Бенилов. — изд. АНСССР, 1969. — С. 513−532.
4. Хендерсон-Селлерс Б. Инженерная лимнология [Текст] /Б. Хендерсон-Селлерс. — Л.: Гидрометеоиздат, 1987. — 336 с.
5. Макаров И. И. Моделирование гидротермических процессов водохранилищ-охладителей ТЭС и АЭС [Текст] / И. И. Макаров, А. С. Соколов, С. Г. Шульман. — Л.: Энергоиздат, 1986. — 181 с.
3
6. Антонова Л. Н. Водозаборно-водовыпускные сооружения совмещенного типа на водохранилищах-охладителях ТЭС и АЭС [Текст]: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук / Л. Н. Антонова. — Харьков: ХГТУСиА, 1996. — 132 с.
7. Лаппо Д. Д. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения [Текст] / Д. Д. Лаппо, С. С. Стрекалов,
В. К. Завьялов. — Л.: ВНИИГ, 1990. — 432 с.
¦Q О
На базі системи диференційних рівнянь тепломасообміну в скруберах отримано систему лінійних алгебраїчних рівнянь з чотирма невідомими. Система рівнянь дає якісну оцінку протікання процесу політроп-ного охолодження і зволоження повітря у скруберах.
Ключові слова: тепломасообмін, скрубер, вологе повітря.
?--------------------------------------?
На базе системы дифференциальных уравнений тепломассообмена в скрубберах получена система линейных алгебраических уравнений с четырьмя неизвестными. Система уравнений дает качественную оценку протекания процесса политропный охлаждения и увлажнения воздуха в скрубберах.
Ключевые слова: тепломассообмен, скруббер, влажный воздух.
?--------------------------------------?
On the basis of differential equations of heat-mass exchange in the scrubber have got the system of linear algebraic equations with four unknowns. The system of equations gives a qualitative evaluation of a process polytropic cooling and humidifying the air in the scrubber. Keywords: heat-mass exchange, scrubber, air.
¦a о
УДК 536. 27
МЕТОДИКА РОЗРАХуНКу ПАРАМЕТРІВ ТЕПЛОНОСІїВ у скруберних процесах
І. М. Кузьменко
Кандидат технічних наук, доцент* Контактний тел.: 068−375−79−43 E-mail: ozirno@ukr. net
М. В. Н о г і н
Кандидат фізико-математичних наук, доцент* Контактний тел.: 097−277−23−90
О. О. Крячок
Кандидат технічних наук, доцент* Контактний тел.: 068−363−70−00 E-mail: kryachok@apeps. kpi. ua
Т. Л. Зозуля
Магістрант* Контактний тел.: 066−205−53−84 E-mail: zya_zya@ua. fm
*Кафедра автоматизації проектування енергетичних процесів та систем Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» пр. Перемоги, 37, корпус 5, м. Київ, 3 056
1. вступ
Для вологої очистки відпрацьованих газів від пилу та зниження їх температури застосовують скрубери. Наприклад, у доменному виробництві, на сміттєспалювальних заводах та ін. Конструктивно скрубери з насадками мають ряд переваг. Зокрема, вони можуть працювати в плівковому або барботажному режимах. Проте, на даний час не існує прийнятної методики розрахунку на-садкових скруберів, оскільки в апараті протікають одночасно процеси зволоження, нагрівання (охолодження), які залежать від параметрів теплоносіїв. Саме тому задача розробки методики розрахунку скруберів є важливою та актуальною.
2. Постановка проблеми
Робота виконується у відповідності до теми 0111и6 241 «Методи розрахунків та моделювання енергозберігаючого обладнання». Для розробки методів було вивчено кілька варіантів моделей, що описують
процеси в скруберах [1−5]. Проте, існуючі методи розрахунків ґрунтуються на вирішенні системи диференційних рівнянь, що потребує чисельного розв’язання. Це значно ускладнює процес розрахунку кінцевих параметрів при протіканні процесів зволоження та охолодження газу в скруберах. Тому метою роботи є розробка прийнятної методики розрахунку скруберів як контактних апаратів. У роботі розглянуто постановку задачі у вигляді системи диференційних рівнянь та отримано її аналітичний розв’язок [4−5].
3. Методика розрахунку
З поміж напівемпіричних способів розрахунку контактних апаратів розглянемо модель протитокового контактного підігрівача рідини зі зрошуваною регулярною насадкою [4]. Така математична модель описує процеси переносу тепла в плівці води, між плівкою води та повітрям і маси пари між плівкою води й повітрям.
Оскільки рівняння моделі описують протитоковий рух у контактному апараті, граничні умови задано на
Е

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой