Оценка возможности выравнивания температуры жидкости в гидронивелире путём перемешивания
Автор: Лекомцев Сергей Владимирович, Цветков Роман Валерьевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.11, 2018 года.
Бесплатный доступ
Измерительные системы на основе гидростатического нивелирования в идеальных условиях позволяют достичь микронной точности при определении вертикальных перемещений. Неоднородные и непостоянные во времени условия окружающей среды вносят значительный вклад в погрешность измерения. Одним из способов повышения точности результатов является выравнивание температуры жидкости в гидронивелире за счет её перемешивания перед проведением замеров. В данной работе оценивается возможность осуществления этой операции с помощью принудительной циркуляции жидкости. С этой целью решается модельная задача циркуляционного течения, создаваемого насосом в упрощённом аналоге гидронивелира, с учётом теплопередачи через стенку шланга. Динамика жидкости описывается усреднёнными по Рейнольдсу уравнениями Навье-Стокса, которые замыкаются моделью переноса сдвиговых напряжений Ментера. Получаемые аналитически значения коэффициентов теплоотдачи на боковой поверхности шланга уточняются на основе экспериментов при двух значениях расхода текущей воды. Изменение температуры находится из численного решения связанной задачи теплопереноса методом конечных объёмов. В тестовом примере, где две части гидронивелира располагаются в зонах с существенно отличающейся температурой, вычислена пространственная неоднородность температурного поля в зависимости от времени. Определена продолжительность перемешивания, достаточная для достижения близкого к однородному распределения температуры текущей жидкости в шланге при различных объёмах соединённого с гидронивелиром смесителя. Предложенный подход будет полезным при использовании в реальных внешних условиях для подбора подходящих параметров работы: расхода насоса, времени перемешивания и объёма смесительного бака. Найденное путём расчёта поле температуры может служить основой для оценки достижимой точности измерительной системы.
Гидростатический нивелир, смеситель, теплоотдача, тепломассоперенос
Короткий адрес: https://sciup.org/143163500
IDR: 143163500 | УДК: 532.542, | DOI: 10.7242/1999-6691/2018.11.2.16
Evaluation of the possibility of equalizing the fluid temperature in a hydrolevelling system by mixing
Measurement systems that are based on the hydrostatic leveling method in ideal conditions allow one to control vertical displacements with accuracy of the order of one micrometer. Heterogeneous and time-varying environmental conditions have a significant effect on the measurement error. One way to reduce it is to equalize the temperature of the fluid in a hydrostatic level by mixing liquid inside it before taking measurements. In this paper, it is estimated that this operation can be performed by modeling the fluid circulation process in a simplified analog of the hydrostatic level taking into account a heat transfer through the hose wall. The fluid dynamics is described by the Reynolds averaged Navier-Stokes equations, which are closed by the SST turbulence model. The given analytical estimates of heat transfer coefficients on the side surface of the hose are refined on the basis of experiments at two values of the flow rate of water flowing through the pipe. The evolution of the temperature field is found from the numerical solution of the conjugate heat transfer problem by the finite volume method. In the test example, in which two parts of the hydrostatic level are located in the areas with markedly different temperature, the heterogeneity of the temperature field at different times has been estimated. The mixing time sufficient to achieve a temperature close to the homogeneous distribution of the flowing fluid in the hydrostatic level is determined at different volumes of the mixer. The proposed approach can be used under real external conditions for the selection of optimal parameters of the pump: flow rate, mixing time and mixing tank volume. The temperature field obtained in the calculation can serve as a basis for estimating the achievable accuracy of the measurement system.
Список литературы Оценка возможности выравнивания температуры жидкости в гидронивелире путём перемешивания
- Chen Z.J., Zhang N.N., Zhang X.W. Settlement monitoring system of pile-group foundation//J. Cent. South Univ. Technol. -2011. -Vol. 18, no. 6. -P. 2122-2130. DOI
- Volk J., Hansen S., Johnson T., Jostlein H., Kiper T., Shiltsev V., Chupyra A., Kondaurov M., Medvedko A., Parkhomchuk V., Singatulin S., Stetler L., Van Beek J., Fratta D., Roberts J., Wang H. Hydrostatic level sensors as high precision ground motion instrumentation for Tevatron and other energy frontier accelerators//J. Instrum. -2012. -Vol. 7. -P01004.
- Yin Z.Z. Application of hydrostatic leveling system in metro monitoring for construction deep excavation above shield tunnel//Appl. Mech. Mater. -2013. -Vols. 333-335. -P. 1509-1513.
- Shardakov I.N., Shestakov A.P., Tsvetkov R.V., Yepin V.V. The hydrostatic level method for continuous monitoring of building foundations//Solid State Phenom. -2016. -Vol. 243. -P. 105-111.
- Meier E., Geiger A., Ingensand H., Licht H., Limpach P., Steiger A., Zwyssig R. Hydrostatic levelling system: measuring at the system limits//J. Appl. Geodes. -2010. -Vol. 4, no. 2. -P. 91-102.
- Tsvetkov R.V., Yepin V.V., Shestakov A.P. Numerical estimation of various influence factors on a multipoint hydrostatic leveling system//IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. -2017. -No. 208. -012046.
- Гусев Г.Н., Епин В.В., Цветков Р.В. О некоторых проблемах измерительных систем на основе гидростатического нивелирования при долговременных измерениях//Вестник ПНЦ. -2017. -№ 4. -С. 70-76.
- Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. -М.: Дрофа, 2003. -840 с.
- Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications//AIAA J. -1994. -Vol. 32, no 8. -P. 1598-1605.
- ANSYS CFX-Solver Theory Guide. Release 18.1. -2017. -364 p.
- Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. -М.: Энергия, 1980. -288 с.
- Eymard R., Gallouët T., Herbin R. The finite volume method//Handbook of Numerical Analysis, Vol. 7/Ed. P.G. Ciarlet, J.L. Lions. -Elsevier, 2000. -P. 713-1018.
- Аникеев А.А., Молчанов А.М., Янышев Д.С. Основы вычислительного теплообмена и гидродинамики: учебное пособие. -М.: URSS, 2010. -152 с.
- Бухмиров В.В. Расчёт коэффициента конвективной теплоотдачи (основные критериальные уравнения). -Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2007. -39 с.
