maplantsМашины и установки: проектирование, разработка и эксплуатацияMachines and Plants: Design and Exploiting2412-592XМОО "Стратегия объединения"10.7463/aplts.0616.0852137maplants-53Research ArticleМАШИНОВЕДЕНИЕMACHINE SCIENCEЧисленное моделирование влияния вдува газа на эффективность работы устройства без-машинного энергоразделенияNumerical Simulation of Gas Injection Impact on the Non-Machine Energy Separation DeviceЕгоровК. С.EgorovK. S.blackbird05@mail.ruСтепановаЛ. В.StepanovaL. V.oystercatcher@mail.ruРогожинскийК. С.RogozhinskyK. S.medved_312@mail.ruМГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва; Институт Механики МГУ им. М.В. Ломоносова, МоскваРоссияBauman Moscow State Technical University, Moscow; Institute of Mechanics MSU n.a. M. V. Lomonosov, MoscowRussian FederationМГТУ им. Н.Э.Баумана, МоскваРоссияBauman Moscow State Technical University, MoscowRussian FederationМГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва; Институт Механики МГУ им. М.В. Ломоносова, МоскваРоссияBauman Moscow State Technical University, Moscow; Institute of Mechanics MSU n.a. M. V. Lomonosov, Moscow, RussiaRussian Federation201615012017063854Copyright © Егоров К.С., Степанова Л.В., Рогожинский К.С., 20172017Егоров К.С., Степанова Л.В., Рогожинский К.С.Egorov K.S., Stepanova L.V., Rogozhinsky K.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.maplants-journal.ru/jour/article/view/53

Представленная статья рассматривает численное моделирование устройства газодинамического безмашинного энергоразделения с внутренней пористой трубой. Полученные результаты показывают, что эффективность устройства газодинамического безмашинного энергоразделения в случае перепуска газа падает (на 3-5 %) при перепуске до 30 %. Отсюда следует, что потеря тепловой эффективности из-за вдува более холодного воздуха превалирует над увеличением теплового потока за счет уменьшения коэффициента восстановления, когда увеличивается разность температур между сверхзвуковым и дозвуковым потоками. Таким образом, использование перепуска (пористой стенки) для улучшения работы устройства нецесообразно.

Также получено, что в устройстве газодинамического безмашинного энергоразделения эффект может меняет “знак”: сверхзвуковой поток – охлаждается, а дозвуковой – нагревается.

Также численное моделирование показало хорошее совпадение с аналитическим решением при ламинарном режиме течения. Показано, что в случае ламинарного режима течения эффективность устройства газодинамического безмашинного энергоразделения может быть значительно выше, но реализовать это достаточно сложно.

The paper considers numerical simulation of a non-machine energy separation device with a porous inner tube. The results obtained show that with a flow rate variation up to 30% of general rate the channel efficiency of gas-dynamic non-machine device for energy separation falls by 3-5%. Hence, a heat efficiency loss due to the colder air injection prevails over the increase of heat flow resulting from a recovery factor decrease when the temperature difference between supersonic and subsonic flows rises. So, the use of gas injection (porous inner tube) to improve the efficiency of the non-machine device for energy separation is beside the purpose.

The effect when the temperature changes its sign in the non-machine device for energy separation and supersonic flow becomes cooler while a subsonic one is heated has been also simulated. This effect was previously obtained experimentally.

The numerical simulation has shown good coincidence with analytical solution in case of the laminar flow regime. The research has shown that with the laminar flow the efficiency of the non-machine device for energy separation can be significantly higher than with the turbulent flow, but its implementation is quite difficult.

устройство безмашинного энергоразделениятруба Леонтьевакоэффициент восстановления температурывдув газаnon-machine device for energy separationLeontiev tuberecovery temperature factorgas injectionReferencesБурцев С.А., Леонтьев А.И. Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор) // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 2. С. 310-322. DOI: 10.7868/S0040364413060069Burtsev S.A., Leontiev A.I. Study of the influence of dissipative effects on the temperature stratification in gas flows (Review). High Temperature, 2014, vol. 52, no.2, pp. 297-307. DOI: 10.1134/S0018151X13060060Леонтьев А.И., Бурцев С.А., Визель Я.М., Чижиков Ю.В. Экспериментальное исследование газодинамической температурной стратификации природного газа // Газовая промышленность. 2002. № 11. С. 72-75.Leontiev A.I., Burtsev S.A., Vizel’ Ya.M., Chizhikov Yu.V. The experimental research of gasodynamic temperature stratification of natural gas. Gazovaya promyshlennost’ [Gas industry], 2002, no.11, pp. 72-75 (in Russ.).Бурцев С.А. Исследование температурного разделения в потоках сжимаемого газа: дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2001. 124 с.Burtsev S.A. Issledovanie temperaturnogo razdeleniia v potokakh szhimaemogo gaza [The research of temperature separation in coercible gas flows. Cand. diss.]. Моscow: BMSTU, 2001. 124 p. (in Russ.).Бурцев С.А. Исследование устройства температурной стратификации при работе на природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 9. С.1-21. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/516097.html (дата обращения 01.09.2016). DOI: 10.7463/0904.0516097Burtsev S.A. Investigation of the operation of temperature lamination device working on the natural gas. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E.Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU. Electronic journal], 2004, no.9. Available at: http://technomag.bmstu.ru/doc/516097.html, accessed 01.09.2016. DOI: 10.7463/0904.0516097 (in Russ.)Бурцев С.А. Исследование работы устройства температурной стратификации на воде и природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2005. № 5. С.1-20. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/529473.html (дата обращения 01.09.2016). DOI: 10.7463/0505.0529473Burtsev S.A. Investigation of the operation of temperature lamination device working on the water and natural gas. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E.Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU. Electronic journal]. 2005, no.5. Available at: http://technomag.bmstu.ru/doc/529473.html, accessed 01.09.2016. DOI: 10.7463/0505.0529473 (in Russ.)Здитовец А.Г., Титов А.А. Экспериментальное исследование газодинамического метода безмашинного энергоразделения воздушных потоков // Тепловые процессы в технике. 2013. № 9. С. 391-397.Zditovets A.G., Titov A.A. Experimental study of a gas-dynamic method for an air stream energy separation. Teplovye protsessy v tekhnike [Thermal Processes in Engineering], 2013, no. 9, pp. 391-397 (in Russ.).Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование температурной стратификации воздушного потока, протекающего через сверхзвуковой канал, с центральным телом в виде пористой проницаемой трубки // Известия Российской Академии наук. Механика жидкости и газа. 2013. № 5. С. 134-145.Zditovets A.G., Vinogradov Yu.A., Strongin M.M. Experimental investigation of the temperature stratification of an air flow through a supersonic channel with a central body in the form of a porous permeable tube. Izvestiia RAS. Mekhanika zhidkosti i gaza [Fluid Mechanics], 2013, vol. 48, no.5, pp. 687-696. DOI: 10.1134/S0015462813050128Виноградов Ю.А., Егоров К.С., Попович С.С., Стронгин М.М. Исследование тепломассообмена на проницаемой поверхности в сверхзвуковом пограничном слое // Тепловые процессы в технике. 2010. № 1. С. 7-9.Vinogradov Yu.A., Egorov K.S., Popovich S.S., Strongin M.M. Heat and mass transfer research on permeable surface in supersonic boundary layer. Teplovye protsessy v tekhnike [Thermal Processes in Engineering], 2010, no.1, pp. 7-9 (in Russ.).Клюквин А.Д. Анализ физической адекватности численного расчета коэффициента восстановления температуры при различных вариантах постановки задачи // Аэрокосмический научный журнал. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 2. С. 16 - 29. Режим доступа: http:// http://aerospjournal.ru/doc/837915.html (дата обращения 01.09.2016). DOI: 10.7463/aersp.0216.0837915Kliukvin A.D. Analysing a numerical calculation adequacy of the recovery factor for various problem statement options. Aerokosmicheskij nauchnyj zhurnal. MGTU im. N.E. Baumana. [Aerospace Scientific Journal Bauman MSTU], 2016, no. 2, pp. 16-29. Available at: http://aerospjournal.ru/doc/837915.html, accessed 01.09.2016. DOI: 10.7463/aersp.0216.0837915 (in Russ.)Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для вузов. 3-е изд. М.: Энергия, 1975. 488 с.Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha [Heat Transfer] 3rd ed. Moscow: Energia Publ., 1975. 488 p. (in Russ.).Кутатетеладзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассобмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энегоатомиздат, 1985. 318 с.Kutateladze S.S., Leontiev A.I. Teplomassoobmen i trenie v turbulentnom pogranichnom sloe [Heat and Mass Exchange and Friction in Turbulent Boundary Layer]. Moscow: Energoatomizdat Publ., 1985. 496 p. (in Russ.).Леонтьев А.И., Вигдорович И. И. Энергоразделение газов с малыми и большими числами Прандтля // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2013. № 6. С. 117 - 134.Leontiev A.I., Vigdorovich I.I. Energy separation of gases with low and high Prandtl numbers. Izvestiia RAS. Mekhanika zhidkosti i gaza [Fluid Mechanics], 2013, vol. 48, no.6, pp. 811-826. DOI: 10.1134/S0015462813060124Tournier J.-M., El-Genk M.S. Properties of noble gases and binary mixtures for closed Brayton cycle applications // Energy Conversion and Management. 2008. Vol. 49. Iss.3. Pp. 469–492. DOI: 10.1016/j.enconman.2007.06.050Tournier J.-M., El-Genk M. S. Properties of noble gases and binary mixtures for closed Brayton cycle applications. Energy Conversion and Management, 2008, vol. 49, iss. 3, pp. 469–492. DOI: 10.1016/j.enconman.200706.050Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1984. 150 c. [Patankar S.V.Numerical heat transfer and fluid flow. Wash.: Hemisphere Publ. Corp.; N.Y.: McGraw-Hill, 1980. 197 p.].Patankar S.V. Chislennye metody resheniia zadach teploobmena i dinamiki zhidkosti [Numerical heat transfer and fluid flow]. Moscow: Energoatomizdat Publ., 1984. 150 p. (in Russ.).Егоров К.С., Рогожинский К.С. Численное моделирование влияния числа Прандтля газа и схемы течения на эффективность работы устройства безмашинного энергоразделения // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 10. С. 21-35. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/814490.html (дата обращения 01.09.2016). DOI: 10.7463/1015.0814490Egorov K. S., Rogozhinsky K.S. Numerically simulated impact of gas Prandtl number and flow model on efficiency of the machine-less energetic separation. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E.Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU. Electronic journal], 2015, no.10, pp. 21-35. Available at: http://technomag.edu.ru/doc/814490.html, accessed 01.09.2016. DOI: 10.7463/1015.0814490 (in Russ.)Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния доли гелия на значение критерия Прандтля газовых смесей // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 5. С.314-329. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/710811.html (дата обращения 01.09.2016). DOI: 10.7463/0514.0710811Burtsev S.A., Kochurov D.S., Shegolev N.L. Investigation of the helium proportion influence on the Prandtl number value of gas mixtures. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E.Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU. Electronic journal], 2014, no.5, pp. 314-329. Available at: http://technomag.edu.ru/doc/710811.html, accessed 01.09.2016. DOI: 10.7463/0514.0710811 (in Russ.)Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1988. 168 с.Poliaev V.M., Majorov V.A., Vasil’ev L.L. Gidromekhanika i teploobmen v poristykh elementakh konstruktsij letatel’nykh apparatov [Hydrodynamics and heat exchange in porous elements of flying machine constructions]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1988. 168 p. (in Russ.).Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие. СПб.: Изд-во Балт. гос. техн. ун-та, 2001. 108 с.Belov I.A., Isaev S.A. Modelirovanie turbulentnykh techenij [Modeling of turbulent flows]. St. Petersburg.: Baltic State Tech. Univ. Publ., 2001. 108 p. (in Russ.).McEligot D.M.,Taylor M.F. The turbulent Prandtl number in the near-wall region for low-Prandl-number gas mixtures // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1996. Vol. 39. No.6. Pp. 1287–1295. DOI: 10.1016/0017-9310(9500146-8)McEligot D.M.,Taylor M.F. The turbulent Prandtl number in the near-wall region for low-Prandl-number gas mixtures. Int. J. Heat and Mass Transfer, 1996, vol. 39, no.6, pp. 1287–1295. DOI: 10.1016/0017-9310(95)00146-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.