Денис Юрченко, ЗАО «ЕМТР»
Традиционно вихревые трубы, основанные на
эффекте Ранка Хилша, применяются при произ-
водстве метанола, ацетилена, при утилизации
газов, а также в процессах подготовки и перера-
ботки природного газа и попутного газа нефте-
добычи.
Вихревая труба представляет собой уст-
ройство, в которое через тангенциальное сопло
(1) поступает сжатый газ, вследствие этого по-
ток газа движется по винтовой линии (см. рис.
1). В периферийной части трубы поток газа дви-
жется с высокой скоростью и большой энергией,
нагретый поток выходит через вентиль (3),
а часть газа в осевой части трубы имеют малую
скорость и более низкую температуру, чем тем-
пература газа на входе в трубу, выходит через
диафрагму (2). Температура холодного и горяче-
го потоков зависит от давления газа на входе в
сопло и от отношения расхода горячего потока к
общему расходу газа, поступающего в трубу.
При давлении газа порядка 0,4 МПа можно полу-
чить на холодном конце трубы температуру газа
в десятки градусов ниже начальной, однако вих-
ревая труба по энергетической эффективности
уступает паро компрессионной холодильной ма-
шине.Для оптимизации параметров вихревых
труб наряду с натурными экспериментальными
стендами может использоваться также и чис-
ленное моделирование при помощи современ-
ных CFD комплексов, например, ANSYS
FLUENT. Современные CFD комплексы позво-
ляют строить так называемые «виртуальные
стенды» для исследования и оптимизации па-
раметров изделий. Использование CFD моде
лей позволяет значительно экономить время и
средства при анализе чувствительности, про-
работке различных концептуальных проектов и
позволяет отобрать наиболее перспективные
конструкции.
В данной статье мы покажем процесс со-
здания CFD модели вихревой трубы с исполь-
зованием геометрического и сеточного препро-
цессора GAMBIT и решателя ANSYS FLUENT
V12. Геометрические размеры рассматривае-
мой вихревой трубы следующие: диаметр вих-
ревой трубы 24 мм, длина 360 мм (15 диамет-
ров), диаметр канала отвода охлажденного по-
тока 14 мм, отвод нагретого потока осущест-
вляется через кольцевую поверхность на про-
тивоположном торце вихревой трубы, внутрен-
ний диаметр 14 мм, внешний --- 24 мм. Счита
Рис. 1. Линии тока в области вихревой трубы
ется, что сечение канала, подводящего газ,
должно быть приблизительно в 10 раз меньше
сечения вихревой трубы, в нашем случае сече-
ние канала подводящего газ имело прямоуголь-
ную форму и размеры 18мм х 3 мм. По указан-
ным размерам была создана геометрия облас-
ти решения в среде GAMBIT. Для построения
геометрической модели вихревой трубы (рис.2),
необходимо было создать цилиндр для основ-
ной полости вихревой трубы, создать прямо-
угольный объем тангенциального канала на
входе потока газа и объединить его с основным
объемом. Далее нужно было построить цилинд
www.ansyssolutions.ru
ANSYS Advantage. Русская редакция | 11 '2009
Численное моделирование
течения в вихревой трубе
с использованием
ANSYS Fluent

рическии объем для канала отвода холодного
потока и также объединить его с основным объ-
емом. В дополнение к выше сказанному необ-
ходимо было построить объем конуса, в торце-
вой части области решения (выход горячего
потока), имитирующий вентиль, и вычесть дан-
ный объем из общего объема области реше-
ния. Рассмотренная последовательность при
построении данной геометрии не является
единственно верной, а служит лишь для ориен-
тира или примера.
Рис. 2. Геометрическая модель вихревой трубы
Следующим этапом после построения гео-
метрической модели обычно является этап со-
здания расчетной сетки для области решения.
Для такой относительно простой геометрии це-
лесообразно строить гексаэдральную расчетную
сетку с применением технологии Cooper (рис. 3).
Технология Cooper позволяет строить объемную
неструктурированную сетку путем экструзии
вдоль тела двумерной сетки с торцевой поверх-
ности.В аксиальном направлении вихревой тру-
бы было задано 189 расчетных элементов. В уг-
ловом направлении было задано 36 расчетных
элементов. В радиальном направлении между
каналом отвода охлажденного потока и внешней
цилиндрической поверхностью вихревой трубы
было задано 10 расчетных элементов. В сечении
канала отвода холодного потока была построе-
на двумерная расчетная сетка приблизительно с
20 ю расчетными элементами вдоль диаметра
канала. Суммарное количество расчетных ячеек
составило 136 912.
В вихревых трубах поток, поступающий на
вход, имеет высокую скорость, поэтому для мо-
делирования такой задачи необходимо исполь-
зовать граничные условия Pressure Inlet на вхо-
де и Pressure Outlet на горячем и холодном вы-
ходах. Для удобства задания соотношения рас-
ходов между горячим и холодным потоками
целесообразно использовать ГУ Mass Flow lnlet
на одном из выходов, при этом на нем необхо-
димо задавать вектор направления потока из
области решения. На входе было задано пол-
ное давление 0,3 МПа и полная температура
300 К. На выходе холодного потока был задан
массовый расход, а на выходе горячего пото-
ка--- давление 0,1 МПа. Соотношение расхода
холодного потока к потоку на входе в вихревую
трубу составляло 1/3. Для моделирования тур-
булентности использовалась стандартная к е
модель турбулентности со стандартными при-
стеночными функциями. В качестве газа был
выбран воздух с плотностью, изменяющейся по
закону идеального сжимаемого газа, все ос-
тальные теплофизические параметры остава-
лись постоянными.
Для решения задач со скоростями, близки-
ми и превышающими скорость звука, в програм-
мном комплексе ANSYS FLUENT существует
специальный Density Based решатель (связан-
ный решатель, в котором одновременно реша-
ются уравнения неразрывности, количества дви-
жения и энергии). Применение указанного ре-
шателя обеспечивает высокую устойчивость в
процессе решения подобных задач. При реше-
нии рассматриваемой задачи использовался
второй порядок аппроксимаций для всех вычис-
ляемых уравнений.
Начиная с 12 й версии, в ANSYS FLUENT
появилась технология Solution Steering для ав-
томатизации процесса сведения решения. При
помощи данной технологии существует воз-
можность автоматизировать процесс выполне-
ния этапов при сведении задачи. Прежде всего,
Рис. 3. Расчетная сетка в области решения: (а) область выхода холодного потока, (б) область выхода
горячего потока
www.ansyssolutions.ru
ANSYS Advantage. Русская редакция | 11 '2009

перед началом счета целесообразно выполнить
FMG инициализацию (решение уравнений Эй-
лера первым порядком точности). Эта процеду-
ра позволяет значительно уточнить первое при-
ближение. В панели Solution Steering существу-
ет набор готовых оптимизированных настроек
для решения задач с различными характерны-
ми скоростями потока (дозвуковой, трансзвуко-
вой, сверхзвуковой, гиперзвуковой). Данная
опция в основном влияет на характер измене-
ния числа куранта в процессе счета. Также для
увеличения устойчивости в новой версии вве-
ден явный коэффициент релаксации и смешан-
ная схема аппроксимации (первого и второго
порядка), позволяющая получать установивше-
еся решение в тех задачах, где чистая схема
второго порядка точности приводит к осцилля
циям невязок. Таким образом, выбрав все не-
обходимые параметры, пользователь может
запустить задачу на счет, и ANSYS FLUENT бу-
дет автоматически управлять процессом сведе-
ния решения (рис.4).
В результате решения задачи были получе-
ны поля скоростей, давлений, температур и т. д.
(рис. 5). Анализ полученных результатов визуа-
лизирует эффект Ранка Хилша (сепарации по-
тока на холодный и горячий). По данным рисун-
кам можно определить перепад температур
между холодным, и горячим концами, в данном
случае он составил 62,86 градуса.
Заметим, что при решении данной задачи
не исследовалась сеточная независимость, не
производилась верификация модели турбулент-
ности, собственно, как и не производилось срав-
нение с экспериментальными или литературны-
ми данными. Целью работы являлась демонс-
трация принципиальной возможности модели-
рования эффекта вихревой трубы Ранка Хилша
с помощью современных CFD комплексов,
а также визуализация качественной картины се-
парации потока газа на холодный и горячий.
В случае необходимости, представляется воз-
можным обеспечить адекватность подобной мо-
дели при помощи экспериментальных данных, и,
следовательно, создать «виртуальный стенд»,
позволяющий провести анализ чувствительнос-
ти и исследовать влияние различных узлов и па-
раметров вихревой трубы на значение макси-
мальной и минимальной температуры, а также
на общий перепад температур на концах вихре-
вой трубы.
Рис. 5. Поле температур (а), скоростей (б), относительного полного давления (в)
www.ansyssolutons.u
ANSYS Advantage. Русская редакция | 11 '2009
Рис. 4. Панель автоматизации процесса счета