Coupled FEM simulation of turbulent flow and temperature in insulated pipes

Abstract

In this paper, the numerical model of thermally isolated pipe was designed including turbulence and flow velocity strongly coupled with temperature field. 2D axissymmetrical problem of thermally insulated pipe was solved by finite element method. Two different numerical analyses were performed in order to simulate nonsteady thermo-hydraulic processes in the thermally insulated pipe. The coupled thermo-hydraulic analysis includes viscous incompressible flow, k- ε turbulence model, heat conduction and convective heat transfer model, temperature dependent material properties and multi-physical interactions. Time histories of temperature evolution were provided in several characteristic points of the solution domain. Temperature distribution was examined at several cross-sections. In order to evaluate the characteristic errors of engineering hydraulic models, separated thermal analysis was performed independently. Quantitative comparison of the results obtained by the different numerical analyses was performed.

Straipsnyje pateikiamas skaitinis izoliuoto vamzdžio modelis, įvertinantis turbulencinį šilumnešio tekėjimo režimą bei greičio ir temperatūros laukų sąveiką, kai temperatūros laukai yra nenusistovėję. Darbe baigtinių elementų metodu išspręstas su 2D ašimi simetrinis izoliuoto vamzdžio uždavinys. Nenusistovėjusiems termo-hidrauliniams procesams izoliuotame vamzdyje modeliuoti atliktos dvi skirtingos skaitinės analizės. Susietoji termo-hidraulinė analizė apima klampaus nespūdaus skysčio tėkmę, turbulencinį k-e modelį, temperatūros laukus, medžiagų savybių priklausomybes nuo temperatūros bei skirtingų fizinių laukų tarpusavio sąveiką. Įvairiuose taškuose pateiktos temperatūros kitimo laikui bėgant kreivės bei temperatūros pasiskirstymas būdinguose uždavinio apibrėžimo srities pjūviuose. Įvertinti paklaidoms, kurias daro plačiai taikomi hidrauliniai modeliai, buvo atlikta atskirtoji šiluminė analizė. Atliktas kiekybinis skirtingų analizių rezultatų palyginimas.