Numerička simulacija prostiranja temperaturskih talasa pri strujanju nosioca toplote u složenim cevnim mrežama

Abstract

U okviru doktorske disertacije je razvijen numeriĉki postupak za proraĉun prostiranja temperaturskih talasa i razdelne površine izmeĊu stuba teĉnosti i parne faze u cevovodima i sloţenim cevnim mreţama. Postupak je zasnovan na rešavanju energijske jednaĉine jednodimenzionalnog strujanja homogenog fluida. Energijska jednaĉina se rešava numeriĉki duţ karakteristiĉnog pravca odreĊenog kretanjem fluidnog delića u vremensko-prostornom koordinatnom sistemu. Postupak numeriĉkog rešavanja je eksplicitan i vremenski korak integracije je odreĊen minimalnim vremenom potrebnim da fluidni delić preĊe rastojanje od poĉetnog poloţaja, koji se u opštem sluĉaju nalazi izmeĊu ĉvorova mreţe, do najbliţeg susednog numeriĉkog ĉvora u pravcu strujanja, u okviru cele mreţe (Courant-ov kriterijum). Primenom Lagrange-ovog interpolacionog polinoma se odreĊuje vrednost temperature ili entalpije u poĉetnom vremenskom trenutku izmeĊu ĉvorova numeriĉke mreţe, na karakteristici koja predstavlja pravac prostiranja fluidnog delića. Razvijene su bilansne jednaĉine koje omogućuju proraĉun graniĉnih uslova, kao što su spoj tri ili više cevi u ĉvoru, toplotnorazmenjivaĉke podstanice kod potrošaĉa i u izvoru toplote. Razvijena metoda je primenjena na simulaciju prelaznog procesa u okviru sistema daljinskog grejanja toplane Zemun nastalog usled promene snage izvora toplote. Razvijeni numeriĉki postupak je primenjen i za simulaciju i analizu hidrauliĉkog udara izazvanog kondenzacijom pare. Neposredni kontakt pothlaĊene teĉnosti i pare u stanju zasićenja dovodi do intenzivne kondenzacije. Brzina kondenzacije zavisi od specifiĉne razdelne površine teĉne i parne faze i koeficijenta prelaza toplote usled kondenzacije. Razdelna površina teĉnosti i pare ima veoma nepravilan oblik. Za vreme hidrauliĉkog udara izazvanog kondenzacijom pare nestacionarni mlazevi teĉnosti i kapi se odvajaju sa ĉela stuba teĉnosti i ukljuĉuju se u zapreminu pare. Ova pojava ukljuĉivanja znaĉajno povećava razdelnu površinu i brzinu kondenzacije. U cilju predviĊanja brzine kondenzacije u ovakvim sloţenim uslovima, razvijena je korelacija izmeĊu ubrzanja ĉela vodenog stuba i proizvoda specifiĉne razdelne površine teĉne i iv parne faze i koeficijenta prelaza toplote pri kondenzaciji...

A high-order accurate numerical method for prediction of thermal transients and propagation of interfacial area between liquid column and steam in pipelines and complex pipe network is presented. It is based on the numerical solution of the transient energy equation for one-dimensional homogeneous fluid flow. Transient onedimensional energy balance equation is solved along the characteristic path that is determined by the fluid particle motion in time-space coordinate system. Numerical method of solving is explicit and the time step of the integration is determined by the minimal time needed for fluid particle to cross the distance between the initial point, in general case positioned between two adjacent nodes of numerical mesh, and the closest node in the flow direction, in whole mesh (Courant criterion). The initial value of temperature or enthalpy between nodes of numerical mesh, on characteristic path which represents fluid particle propagation direction, is determined by the application of Lagrange's interpolation polynomial. Balance equations for boundary conditions are developed, e.g. junctions of three or more pipelines, heat exchanger substations at costumers and in heat source. Thermal transients caused by an increase and decrease of the heat power plant load are simulated for real operating conditions of the district heating system Zemun. Developed numerical model is also applied for simulation and analysis of condensation induced water hammer. Direct contact of subcooled liquid and saturated steam leads to intensive condensation. Condensation rate is highly influenced by the interfacial area concentration and condensation heat transfer coefficient. The interfacial area has very irregular shape. During the condensation induced water hammer transient liquid jets are formed and liquid column is dissintegrated so that droplets from the head are entrained in steam volume. This droplet entrainment increases interfacial area and condensation rate. Two-phase system of liquid and steam is described by the mass, momentum and enthalpy conservation equations which form a system of quasi linear partial differential equations of the hyperbolic type. Given system is solved by the vi method of characteristics...