Особливості зовнішньої аеродинаміки і теплообміну димових труб у міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС
| dc.contributor.advisor | Халатов, Артем Артемович | |
| dc.contributor.author | Чиркова, Анна Петрівна | |
| dc.date.accessioned | 2024-06-18T08:04:52Z | |
| dc.date.available | 2024-06-18T08:04:52Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | Чиркова А.П. Особливості зовнішньої аеродинаміки і теплообміну димових труб у міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС. – Кваліфікаційна наукова робота на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 105 Прикладна фізика та наноматеріали. Найменування вищого навчального закладу, в якому провадилася підготовка: НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО». Дисертаційна робота присвячена вивченню аеродинаміки та теплообміну димових труб ТЕС, розташованих у нескінченному просторі, у міській інфраструктурі та на промисловому майданчику ТЕС. В роботі отримані нові наукові результати, що характеризують фізичні особливості розподілу швидкості, температури, статичного тиску та коефіцієнта тепловіддачі на поверхні конічної труби за різних граничних умов. Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаної літератури до кожного розділу, додатку. Загальний обсяг дисертації становить 128 сторінок, включаючи 45 рисунків та 6 таблиць, загальна кількість використаних джерель становить 77 посилань. У вступі розглянуто основні проблеми енергетики України, повязані з експлуатацією димових труб ТЕЦ. Обґрунтовується актуальність теми дисертації, ставляться завдання для її досягнення. Обґрунтовано метод дослідження. Розглянуті нові наукові результати та їх практичне значення, зв'язок дисертації з програмою фундаментальних робіт НАН України, особистий внесок автора та апробація результатів дослідження. У першому розділі представлено короткий огляд сучасного стану проблеми експлуатації димових труб ТЕС. Розглянуто основні конструкції димових труб, проаналізовано основні проблеми їх експлуатації, пов'язані з випаданням хімічно агресивного конденсату, що призводить до деградації внутрішньої поверхні димових труб та порушення екологічно безпечних умов їх експлуатації. Детально розглянуто особливості аеродинаміки та теплообміну при поперечному обтіканні круглого нескінченного циліндра для докритичного, надкритичного та трансзвукового режимів обтікання. Проаналізовано вплив зовнішньої турбулентності та шорсткості поверхні на теплообмін і аеродинаміку при поперечному обтіканні труби. Наводиться рівняння для профілю швидкості набігаючого вітру для трьох типів інфраструктури навколишнього простору. Розглянуто особливості обтікання димової труби та окремих будівель на майданчиках АЕС та ТЕС за різного напрямку вітру. Сформульовано мету роботи, обґрунтовано основні завдання для дослідження, зроблено вибір методу дослідження. У другому розділі розглянуто методичні аспекти комп'ютерного моделювання аеродинаміки та теплообміну при зовнішньому обтіканні одиночної конічної труби, яка розташована на земній поверхні. Наводиться математичний опис проблеми, розглянуто геометричні моделі, які досліджені у роботі, аналізуються особливості завдання граничних умов. Розглянуті методи чисельного розв'язання системи диференціальних рівнянь руху та енергії, способи дискретизації рівнянь та методи розв'язання системи алгебраїчних рівнянь. На прикладі теплообміну при докритичному режимі обтікання круглого циліндра виконано верифікацію сіткової моделі та обґрунтовано модель турбулентності, що застосовується в роботі. У третьому розділі виконано комп'ютерне моделювання аеродинаміки та теплообміну на поверхні одиночної конічної димової труби, розташованої у нескінченному просторі, а також у міській інфраструктурі. Запропоновано геометричну та комп'ютерну моделі димової труби, розглянуто методичні аспекти чиселного моделювання та представлено програму досліджень. У розрахунках на поверхні труби задавалися граничні умови І роду, використана RNG k-e модель турбулентності. Максимальні значення тепловіддачі досягаються в середній частині труби, біля земної поверхні та у гирлі труби. Виявлено, що конусність труби практично не впливає на середню по всій висоті труби. Форма профілю швидкості вітру перед димовою трубою, яка визначається типом інфраструктури навколишнього простору, має значний вплив на розподіл локальної тепловіддачі по висоті труби. Зі зростанням середньої швидкості набігаючого потоку вітру середня по всій висоті труби тепловіддача зростає приблизно за лінійним законом. У четвертому розділі розглянуті аеродинаміка та теплообмін біля одиночної конічної димової труби, розташованої в умовах промислового майданчика ТЕС. Для виконання досліджень розроблено спрощену геометричну та комп'ютерну моделі майданчика ТЕС, які враховують основні елементи її інфраструктури. На поверхні труби задавалися граничні умови І роду, а в розрахунках використана RNG k-e модель турбулентності. На межах майданчика ставився профіль швидкості, який відповідає умовам міської забудови. Програма досліджень включає різний напрямок вітру та різні сезонні температурні умови, що притаманні для умов України. Показано, що інфраструктура майданчика ТЕС істотно впливає на умови обтікання димової труби та тепловіддачу. Показано, що періодична зміна швидкості, температури, тиску та теплообміну в кормовій частині труби має місце тільки вище даху машинного залу. Використання у розрахунках рівномірного профілю швидкості перед трубою може призводити до значних помилок у розрахунках локальной тепловіддачі. У приземній зоні труби та в області машинного залу тепловіддача може бути заниженою і завищеною порівняно з результатами розрахунку для рівномірного профілю швидкості, а вище даху машинного залу це рівняння показує завищені результати. Виконано порівняльний аналіз розподілу локальної тепловіддачі по висоті труби при різному напрямку вітру. В дисертаційній роботі отримано наступні наукові результати: Вперше: 1. Виявлено періодичний характер зміни швидкості, тиску, температури та коефіцієнта тепловіддачі в кормовій частині конічної димовоїтруби при її поперечному обтіканні для різних граничних умов. 2. Показано, що для труби у нескінченному просторі з рівномірним профілем швидкості вітру на вході конусність труби не впливає на середню по висоті труби тепловіддачу. Зі зростанням швидкості набігаючого потоку середній коефіцієнт тепловіддачі зростає практично лінійно – як при рівномірній, так і при змінній по висоті трубі швидкості потоку. 3. Показано, що інфраструктура міського простору та промислового майданчика ТЕС має істотний вплив на локальну тепловіддачу димової труби ТЕС, що зумовлено впливом шару біля земної поверхні на граничні умови, відривними та тривимірними течіями. 4. Виконано дослідження та отримано нові результати, що характеризують аеродинаміку та теплообмін біля зовнішньої поверхні димової труби за умов сумісного впливу інфраструктури міського простору та промислового майданчика ТЕС. Удосконалено: 5. Методичні рекомендації щодо комп'ютерного моделювання аеродинаміки та локального теплообміну на зовнішній поверхні одиночної конічної труби при її поперечному обтіканні в умовах міського простору та промислового майданчика ТЕС. 6. Методика розрахунку локального теплообміну на зовнішній поверхні конічної димової труби при сумісному впливі швидкості, температури та направлення потоку вітру з урахуванням інфраструктури міського простору та промислового майданчика ТЕС. Набуло подальшого розвитку: 7. Більш глибоке розуміння фізичного механізму процесів аеродинаміки та локального теплообміну при поперечному обтіканні одиночної конічної димової труби, розташованій в міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС. 8. Розуміння, що умови експлуатації димової труби ТЕС (розташування, напрям вітру, інфраструктура навколишнього простору та промислового майданчика ТЕС) мають суттєвий вплив на аеродинаміку димової труби та повинні враховуватися при розрахунку зовнішнього теплообміну. Практичне значення результатів, представлених у дисертації: 1. Отримані в роботі результати формулюють більш точні та обґрунтовані рекомендації в частині графіка режиму роботи нових димових труб, а також димових труб, що знаходяться в експлуатації ТЕС, вони також можуть використовуватися для оцінки залишкового ресурсу димової труби з урахуванням деградації її внутрішнього стану у процесі експлуатації. Оримані результати використані у науковій роботі «Розроблення методів і засобів підвищення експлуатаційної надійності та екологічної ефективності димових труб теплоенергетичних установок» (договір № 1-102/02, тема № 1.7.1.890) в рамках Цільової програми наукових досліджень Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України, реєстраційний № 0120U101123. 2. Отримані результати можуть бути використані для вдосконалення математичних моделей під час комп'ютерного моделювання зовнішньої аеродинаміки та теплообміну при поперечному обтіканні конічної димової труби за складних граничних умов. | |
| dc.description.abstractother | A.P. Chyrkova. External aerodynamics and heat transfer over a chimney located in the urban environment and on the platform of the thermal power station. – Qualifying scientific work based on manuscripts. Dissertation for the obtained scientific research of the Doctor of Philosophy in specialty 105 Applied physics and nanomaterials. Name of the higher educational institution where the training took place: NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY OF UKRAINE «IGOR SIKORSKY KYIV POLYTECHNIC INSTITUTE». In the introduction, the main problems of Ukraine's energy industry related to the operation of TPP chimneys (smoke pipes) are considered, the relevance of the dissertation topic have been substantiated, and tasks for its achievement have been set. The research method has been substantiated. The new scientific results and their practical significance, the connection of the thesis with the program of fundamental works of the National Academy of Sciences of Ukraine, the author's personal contribution and the approval of the research results are considered. The dissertation is devoted to the study of aerodynamics and heat transfer over the thermal power plant chimney located in the infinite space, in the urban environment, as well as on the industrial site of the thermal power plant (TPP). The new physical pecularities characterizing the flow speed, temperature, and static pressure, heat transfer distribution were obtained on the conical pipe surface under various boundary conditions. The structure and scope of the dissertation. The dissertation consists of an introduction, four chapters, conclusions and a list of used literature for each chapter, an appendix. The total volume of the dissertation is 128 pages, including 45 figures and 6 tables, the total number of used sources is 77 references. In the introduction, the main problems of the energy sector of Ukraine are considered, associated with the operation of chimneys. The relevance of the dissertation topic is justified, the main research goal and the primary research tasks are formulated. The choice of the research approach is justified. The new scientific results are discussed along with their industrial significance, the dissertation link with research program of the National Academy of Sciences is given, the author's personal contribution and the approbation of the dissertation results are considered. The first chapter presents a brief overview of the current state of the problem to be studied. The basic chimney designs in the thermal power engineering are considered, the main problems of their operation are analyzed, mainly related to the precipitation of chemically aggressive condensate, which leads to the gradual degradation of the inner surface of chimney and the violation of environmentally safe conditions of their operation. The aerodynamics and heat exchange features during flowing around a the round infinite cylinder for the subcritical, supercritical and transcritical flow regimes (at high Reynolds numbers) are considered in details. The influence of external turbulence and surface roughness on heat transfer and aerodynamics in the subcritical flowregime around a circular cylinder is analyzed. The flow features around the chimney and buildings placed on the nuclear power and thermal power sites under different wind directions are considered. An equation is given for the wind speed calculation for three types of infrastructure surrounding the site. The research goal of the work was formulated, the primary research tasks were described, and the method of investigation was justified. In the second chapter, some methodological aspects of the numerical (computer) modeling of aerodynamics and heat exchange at the external flow around a single conical chimney located on the earth surface are considered. The mathematical description of the problem is provided, geometric models investigated in the work are considered, and the peculiarities of the boundary conditions are analyzed. The features of the differential equations of the motion and energy are discussed, the discretization of equations and approach towards solving of algebraic equations are considered. On the example of heat transfer in the subcritical flow around a round cylinder, the mesh structure was verified and the turbulence model used in the work was justified. In the third chapter, the computer modeling of aerodynamics and heat exchange over a single conical chimney located in the infinite space, as well as in the urban infrastructure, is performed. A geometric and computer models of chimney is proposed, the methodological aspects of modeling are considered, and the research program is presented. The maximum heat transfer coefficient are reached in the middle part of the chimney, near the earth surface and at the mouth of it. It was found that the taper of the chimney does not actually affect the average heat transfer over the entire height of the chimney. The wind speed profile in front of the chimney, which is determined by the type of infrastructure of surrounding space, has a significant impact on the local heat transfer distribution over the chimney height. With an increase in the average wind speed in front of the chimney, the average heat transfer over of the entire chimney height increases approximately according to the linear law. In the fourth chapter, the aerodynamics and heat transfer over a single conical chimney, located on the thermal power plant site, are considered. To carry out research, a simplified geometric and computer models of the thermal power plant site were developed, which takes into account the main components of its infrastructure. The boundary conditions of the Type I were set on the chimney surface, and the RNG k-e turbulence model was used in calculations. The research program includes different wind directions and seasonal temperature conditions, which are typical for Ukraine. On the site borders, a speed profile was set corresponding to conditions of urban structure on the site borders. It is shown that the infrastructure of the TPP site and the velocity profile at the site borders significantly affect the flow conditions around the chimney and the heat transfer below the engine room roof. In this case, the zone with periodic variations in air speed, temperature, static pressure and heat transfer is observed only in the chimney zone above the engine room roof. It is shown that the use equation for a uniform speed in front of the chimney can lead to significant errors in the local heat transfer distribution. In zone of engine room, the local heat transfer can be both underestimated and overestimated compared to the calculations for the uniform air speed, while above the engine room, this equation demonstrates the overestimated results. A comparative analysis of the local heat transfer distribution over the chimney height with different wind directions was performed. The final dissertation conclusions were presented as well. The following scientific results were obtained in the dissertation: For the first time: 1. The periodic character in the air speed, static pressure, temperature, and heat transfer coefficient in the aft part of the conical chimney at the crossflow was revealed for various boundary conditions. 2. It is shown that for a chimney located in the infinite space with a uniform wind speed profile in front of chimney, the taper of the pipe does not affect the averaged heat transfer over the entire chimney height. With increase in the oncoming flow speed, the average heat transfer coefficient increases almost linearly along the chimney height both with a uniform velocity profile. 3. It is shown that infrastructure of the urban space and the industrial site of the thermal power plant makes the significant influence on the local heat transfer of the chimney, which is caused by the influence of the earth surface on the boundary conditions, separation and three-dimensional flow. Improved: 1. Methodological foundations were developed for the computer modeling of aerodynamics and local heat transfer on the external surface of a single conical chimney at the crossflow in conditions of urban infrastructure and industrial site of the thermal power plant. 2. The methodology of local heat transfer calculations on the external surface of the conical chimney was improved under combined influence of speed, temperature and wind direction, taking into account the infrastructures of the urban space and the industrial site of the thermal power plant. Further development took place: 1. Deeper understanding of the physical nature of the aerodynamic and local heat transfer at the crossflow of a single conical chimney located in the urban space or on the thermal power plant site. 2. A deeper understanding that operation conditions of the chimney (location, wind direction, infrastructure of the surrounding space and industrial site) have a significant impact on the chimney aerodynamics and must be taken into account in the external heat transfer calculation, thermal stress state and final operational resource assessment. The practical significance of the results presented in the dissertation is: 1. The results obtained in the work formulate more accurate and wellfounded recommendations in terms of the design and operation conditions of currently used chimneys, they can also be used to estimate the residual resource of the chimney taking into account the degradation of its internal surface during its operation. The results were used in the scientific project "Development of methods and equipment to increase operational reliability and environmental efficiency of chimneys of thermal power plants" (contract No. 1-102/02, topic No. 1.7.1.890) within the framework of the Targeted Program of Scientific Research of the Division of Physical and Technical Problems of Energy (Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, registration number is 0120U101123). 2. The obtained results can also be used for verification and improvement of the mathematical models during computer modeling of external aerodynamics and local heat transfer at the conical chimney crossflow under the complex boundary conditions. | |
| dc.format.extent | 128 с. | |
| dc.identifier.citation | Чиркова, А. П. Особливості зовнішньої аеродинаміки і теплообміну димових труб у міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС : дис. … д-ра філософії : 105 Прикладна фізика та наноматеріали / Чиркова Анна Петрівна. – Київ, 2024. – 128 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/67218 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | аеродинаміка | |
| dc.subject | теплообмін | |
| dc.subject | димова труба | |
| dc.subject | числове моделювання | |
| dc.subject | міська інфраструктура | |
| dc.subject | теплова електростанція | |
| dc.subject | ТЕС | |
| dc.subject | гриничні умови | |
| dc.subject | зовнішне обтікання | |
| dc.subject | конденсат | |
| dc.subject | Ansys | |
| dc.subject | Fluent | |
| dc.subject | модель турбулентності | |
| dc.subject | математичне моделювання | |
| dc.subject | числа Рейнольдса | |
| dc.subject | гідродинаміка | |
| dc.subject | 3D модель | |
| dc.subject | швидкість | |
| dc.subject | коефіцієнт тепловіддачі | |
| dc.subject | поперечне обтікання | |
| dc.subject | ламінарний потік | |
| dc.subject | турбулентність | |
| dc.subject | рівняння Нав’є-Стокса | |
| dc.subject | поле швидкості | |
| dc.subject | вихрова структура | |
| dc.subject | циліндр | |
| dc.subject | конусність | |
| dc.subject | дискретизація | |
| dc.subject | диференціальні рівняння | |
| dc.subject | сіткова модель | |
| dc.subject | пристінковий шар | |
| dc.subject | верифікація | |
| dc.subject | профіль швидкості | |
| dc.subject | напрямок вітру | |
| dc.subject | aerodynamics and heat transfer | |
| dc.subject | chimney | |
| dc.subject | numerical modeling | |
| dc.subject | city infrastructure | |
| dc.subject | thermal power plant | |
| dc.subject | TPP | |
| dc.subject | boundary conditions | |
| dc.subject | outer flow | |
| dc.subject | condensate | |
| dc.subject | turbulence model | |
| dc.subject | mathematical modeling | |
| dc.subject | Reynolds numbers | |
| dc.subject | hydrodynamics | |
| dc.subject | 3D model | |
| dc.subject | velocity | |
| dc.subject | heat transfer coefficient | |
| dc.subject | transverse flow | |
| dc.subject | laminar flow | |
| dc.subject | turbulence | |
| dc.subject | the Navier-Stokes equation | |
| dc.subject | velocity field | |
| dc.subject | vortex structure | |
| dc.subject | cylinder | |
| dc.subject | obliqueness | |
| dc.subject | discretization | |
| dc.subject | differential equations | |
| dc.subject | grid model | |
| dc.subject | wall layer | |
| dc.subject | verification | |
| dc.subject | speed profile | |
| dc.subject | wind direction | |
| dc.subject.udc | 004.94:[621.184.5+533.6+536] | |
| dc.title | Особливості зовнішньої аеродинаміки і теплообміну димових труб у міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: