Вследствие того, что на большинстве тепловых электрических станциях России мазут используется в качестве основного или резервного топлива, вопросы снижения расходов энергии на собственные нужды мазутных хозяйств ТЭС являются актуальными. Наиболее распространенным является циркуляционный метод подогрева, характеризующийся струйным истечением подогретого мазута в резервуар хранения.
В научной литературе моделированию струйных течений посвящено большое количество работ [1 - 5]. В основном используется модель невязкой сжимаемой жидкости (газа) [1 - 2] или рассматриваются струйные течения несжимаемой вязкой жидкости при условии турбулентности потока [3 - 4]. Исследованиям ламинарного потока несжимаемой вязкой жидкости посвящено небольшое количество работ [5].
В работе проведено численное исследование теп-лопереноса при распространении ламинарного потока плоской затопленной свободной струи мазута в пространстве, заполненном также мазутом.
При постановке задачи исследования нестационарных процессов теплопереноса приняты следующие допущения:
- нестационарность процессов теплообмена обуславливается линейной зависимостью от времени температуры T на выходе из насадки;
- теплофизические свойства мазута, такие как плотность ρ, теплоемкость c p и теплопроводность λ меняются в ходе процесса незначительно;
- кинематическая вязкость мазута n зависит от температуры T;
- объемной силой, влияющей на процесс теплопереноса при истечении плоской затопленной свободной мазута из насадки в полубесконечное пространство, является сила тяжести.
Исходная система уравнений движения и переноса энергии, описывающая процесс теплопереноса при течении плоской затопленной свободной струи в декартовой системе координат (x,y,z), для сформулированных допущений имеет вид:
где gx , gz - компоненты вектора ускорения свободного падения, vx, vz - компоненты вектора скорости 
, ρ- плотность, Р - давление, μ(T) -динамическая вязкость, t - время.
Для решения уравнений сохранения энергии, движения и неразрывности используется метод конечных элементов. Для решения получившейся системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений используется метод Рунге-Кутта.
Численные исследования проводились при следующих условиях: расход мазута через плоскощелевую насадку равен G = 33,33 кг/с (удельный расход равен G = 0,5903 кг/(м-с)). Радиус насадки δ равен 6 мм. В начальный момент времени мазут марки М 100 находился в замкнутом объеме резервуара при температуре T = 303 К. Начиная с нулевого момента времени, температура мазута, подаваемая через насадку, возрастает по линейному закону 0,01t за безразмерное время t = 100 до температуры T = 363 К и далее остается постоянной. На днище резервуара выдерживаются тепловые граничные условия третьего рода для зимнего периода, при этом a = 3,699 Вт/(м-К). Максимальная скорость потока мазута umax =0,0733 м/с. В этом случае определяющие параметры задачи принимают следующие значения: Re´= 0,09809; Fr´ = 10,954; Nu´= 0,148; Pe´= 5021,416 . Время, выраженное в секундах, связано с безразмерным временем как t* = 0,0818t .
В результате численного исследования получены распределения полей температур при течении плоской затопленной свободной струи при линейном изменении температуры мазута на выходе из насадки и при установившемся режиме подогрева.
Анализ результатов показал, что для свободной струи какая-либо граница не служит препятствием для распространения теплового потока.
При 0 < t* ≤100 линии равных значений безразмерной температуры располагаются на достаточном удалении друг от друга. Это объясняется тем, что при линейном повышении температуры мазута выходящего из подающей насадки перенос теплоты за счет теплопроводности преобладает над вынужденным теплопереносом, то есть над конвекцией. При достижении установившегося режима подогрева подогревателями мазута в резервуаре (безразмерное время 100 < t* ≤ 1,25·106) происходит постепенный прогрев холодных слоев мазута в резервуаре. Также в ядре теплового потока появляется большая область с более низкой температурой по сравнению с температурой мазута, выходящей из насадки, так как здесь возникает область возвратных течений подогретого мазута с одной и той же температурой. С течением времени происходит «торможение» боковых слоев нагретого мазута, так как горячие слои мазута тормозятся холодными, у которых вязкость намного больше. При конечном времени подогрева (t* =1,25·106) ядро теплового потока достигает боковой границы резервуара, а до верхней границы немного не доходит.
Так как на днище резервуара выдерживаются тепловые граничные условия третьего рода для зимнего периода, то естественно, что происходит охлаждение слоев мазута в придонной области.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Бай Ши-и. Теория струй. М.: Госуд. изд-во фи-зико-математ. литературы. 1960.
- Гинзбург И.П. Теория сопротивления и теплопередачи. Л.: Изд-во Ленинградского университета. 1970.
- Chandio M.S., Matallah H., Webster M.F. Numerical simulation of viscous filament stretching flows // Int. J. Numer. Meth. Heat and Fluid Flow. 2003. 13, № 7. Р. 899 - 930.
- Лебедев В.П., Леманов В.В., Мисюра С.Я., Терехов В.И. Теплоотдача в пристенной струе при высокий турбулентности спутного потока // Прикладная механика и техническая физика. 1998, № 3. С. 119-125.
- Назмеев Ю.Г., Шамсутдинов Э.В., Камалов. Нестационарный теплоперенос при течении плоской затопленной свободной струи вязкой жидкости в полубесконечном пространстве // Изв. РАН. Серия Энергетика. 2006. № 2. С. 52 - 60.
Работа выполнена при финансовой поддержкеРФФИ (грант № 05-08-65508) и гранта Президента РФ
№ МК-9718.2006.8.
Работа представлена на VII научную конференцию с международным участием «Успехи современного естествознания», Дагомыс (Сочи), 4-7 сентября 2006. Поступила в редакцию 28.08.2006г