Особенности численного моделирования работы воздушно-тепловой завесы в OpenFOAM

Рассматриваются вопросы математического моделирования турбулентного теплопроводного течения сжимаемой вязкой среды во внутреннем объеме корпуса воздушно-тепловой завесы, оснащенной тангенциальным вентилятором. Решение задачи построено на основе осредненных по Рейнольдсу (Фавру) уравнений Навье-Стокса. Решение задачи получено с применением подхода MRF (Multiple Reference Frame), который использует вращающуюся систему отсчета, и с применением преобразования основных уравнений Навье-Стокса в зоне вращения. Для корректного описания протекающих во внутреннем объеме воздушно-тепловой завесы и в окружающей среде рабочих процессов в работе применяются модульные многоблочные сетки, в том числе позволяющие разделить вращающиеся и неподвижные области. Решение поставленных задач строится с использованием инструментов пакета OpenFOAM. В результате работы подробно описаны особенности структуры потока в проточной части воздушно-тепловой завесы, оценены скорости газа, достигаемые при различных скоростях вращения вентилятора. Показана автомодельность профилей скорости на выходе из сопла завесы.

1. Frank D., Linden P. The effectiveness of an air curtain in the doorway of a ventilated building. Journal of Fluid Mechanics, vol. 756, 2014, pp. 130-164.

2. Koroleva M.R., Mishchenkova O.V. et al. Theoretical research of the internal gas dynamics processes of measurements of hot air curtain with cross-flow fan. MM Science Journal, June 2020, pp. 3966-3972.

3. Шарфарец Б.П., Дмитриев С.П. Моделирование турбулентного движения жидкости на основе гипотезы Буссинеска. Обзор. Научное приборостроение, том 28, вып. 3, 2018 г., cтр. 101–108 / Sharfarets B.P., Dmitriev S.P. Modeling of turbulent fluid motion based on the Boussinesq hypothesis. Overview. Nauchnoe Priborostroenie, vol. 28, issue 3, 2018, pp. 101—108 (in Russian).

4. Королева М.Р., Сбоева Т.А. и др. Исследование течения воздуха в рабочем объеме воздушно-тепловой завесы. Химическая физика и мезоскопия, том 21, вып. 3, 2019 г., стр. 403-409 / Koroleva M.R., Sboeva T.A. et al. The study of air flow in the working volume of the air-thermal curtain. Chemical Physics and Mesoscopics, vol. 21, issue 3, 2019, pp. 403-409 (im Russian).

5. Darmawan S., Siswantara A.I. et al. Turbulent flow analysis in auxiliary cross-flow runner of a Proto X-3 Bioenergy micro gas turbine using RNG K-ε turbulence model. Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 10, issue 16, 2015, pp. 7086-7091.

6. Khosrowpanah S., Fiuzat A.A., Albertson M.L. Experimental Study of Cross-Flow Turbine. Journal of Hydraulic Engineering, vol. 114, issue 3, 1988, pp. 299-314.

7. Casarsa L., Giannattasio P. Experimental study of the three-dimensional flow field in cross-flow fans. Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 35, issue 6, 2011, pp.948-959.

8. Sun K., Ouyang H et al. Experimental and numerical investigations on the eccentric vortex of the cross flow fan. International Journal of Refrigeration, vol. 50, 2015, pp. 146-155.

9. Li J., Hou Y. et al. Window purifying ventilator using a cross-flow fan: Simulation and optimization. Building Simulation, vol. 9, issue 4, 2016, pp. 481-488.

10. Kim T.A., Kim D.W., Park S.K. Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 22, issue 10, 2008, pp. 1876-1882.

11. Toffolo A. On the theoretical link between design parameters and performance in cross-flow fans: a numerical and experimental study. Computers & Fluids, vol. 34, issue 1, 2005, pp. 49-66.

12. Lu F.K., Chauhan V.A. et al. Numerical modeling of doorway flow induced by an air curtain. In Proc. of the 9th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, 2006, 7 p

13. OpenFOAM. Free CFD Software. Available at: http://openfoam.org/.

14. Salome. Version 8.3.0. Available at: http://www.salome-platform.org/.

15. Хюлла И.Я. Прохождение воздуха в вентиляторах поперечного потока / Hyulla I.Ya. Passage of air in cross-flow fans. Available at: www.scat-technology.ru/article/vozduhopotok-v-ventilyatore/ (in Russian).

16. Chernova A.A. Validation of rans turbulence models for the conjugate heat exchange problem. Russian Journal of Nonlinear Dynamics, vol. 18, issue 1, 2022, pp. 61-82.

17. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model. In Proc.of the Fourth International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfe, 2003, pp. 625-632.

18. Isaev S., Popov I. et al. Abnormal enhancement of separated turbulent air flow and heat transfer in inclined single-row oval-trench dimples at the narrow channel wall. Acta Astronautica, vol. 163, part 1, 2019, pp. 202-207.

19. Круглова Е.С. Разработка ресурсосберегающих воздушно-тепловых завес для поддержания нормируемых параметров микроклимата в производственных помещениях АПК. Aвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Челябинский государственный агроинженерсный университет, 2006 г., 21 стр. / Kruglova E.S. Development of resource-saving air-heat curtains to maintain the normalized parameters of the microclimate in the industrial premises of the agro-industrial complex. Abstract of the dissertation for the degree of candidate of engineering sciences. Chelyabinsk State Agroengineering University, 2006, 21 p. (in Russian)