Analysis of the special features of hydrodynamics in the boundary layer of the nozzle of the developed surface

Vladislav Shybetskуy; Serhii Kostyk

doi:10.15587/2312-8372.2019.165711

Автор(и)

Vladislav Shybetskуy Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0001-5482-0838
Serhii Kostyk Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0002-2817-7233

DOI:

https://doi.org/10.15587/2312-8372.2019.165711

Ключові слова:

насадковий біореактор, напруження зсуву, комп’ютерне моделювання в середовищі ANSYS, гідравлічний опір, швидкість зсуву потоку

Анотація

Об’єктом дослідженням є гідродинаміка пограничного шару насадкового елементу запропонованої конструкції. В ході проведення дослідження були використані методи комп’ютерного моделювання в середовищі ANSYS, зокрема блок CFX, що включає сукупність фізичних, математичних і чисельних методів, призначених для обчислення характеристик потокових процесів. Проведено аналіз впливу швидкості руху рідини в насадковому біореакторі на величину гідравлічного опору для наступних величин швидкостей руху рідини: 0,1 м/с; 1 м/с; 2 м/с. Отримані дані майже повторюють значення експериментальних досліджень, що підтверджує правильність побудови комп’ютерної моделі. Проведено моделювання гідродинаміки одиночної насадки запропонованої конструкції при поздовжньому та поперечному обтіканні потоком рідини. Зміни гідравлічного опору при поперечному обтіканні насадки незначні, максимальне значення лежить в межах 101,3 кПа, при повздовжньому омиванні значення перепаду тиску лежить в межах від 98,96 до 102,7 кПа. Отримано епюри розподілення полів та векторів швидкостей в пограничному шарі насадки. При поперечному омиванні насадки величина швидкостей знаходиться в межах від 0 до 1,511 м/c, при повздовжньому омиванні лежить в межах від 0 до 1,968 м/c. Встановлено розподіл величини швидкості зсуву в приграничному шарі, при поперечному омиванні насадки величина швидкості зсуву потоку лежить в межах від 3,1 до 4,27·10³ с^-1, при повздовжньому обтіканні насадки цей показник становить від 5,6 до 1,25·10⁴ с^-1. Завдяки використанню запропонованої насадки забезпечується можливість отримання великих питомих поверхонь для іммобілізації мікроорганізмів, за умови відповідності критичних параметрів процесу культивування допустимим граничним відхиленням. У порівнянні з методами визначення оптимальних параметрів експериментальним шляхом запропонована комп’ютерна модель забезпечує такі переваги: суттєве зменшення матеріальних витрат на впровадження нової конструкції насадки та швидку оптимізацію параметрів проведення процесу за зміни вихідних даних.

Біографії авторів

Vladislav Shybetskуy, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра біотехніки та інженерії

Serhii Kostyk, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кандидат технічних наук, старший викладач

Кафедра біотехніки та інженерії

Посилання

Zhang, C., Li, Y. (2017). Thermodynamic analysis on theoretical models of cycle combined heat exchange process: The reversible heat exchange process. Energy, 124, 565–578. doi: http://doi.org/10.1016/j.energy.2017.02.103
Obodovych, O. M., Ruzhynska, L. I., Kostyk, S. I., Bulakh, N. M. (2016). Osoblyvosti teploviddachi pry vymushenii konvektsii v rotorno-dyskovomu plivkovomu vyparnomu aparati. Promishlennaia teplotekhnyka, 6 (37), 22–28.
Song, J., Liu, Z., Ma, Z., Zhang, J. (2017). Experimental investigation of convective heat transfer from sewage in heat exchange pipes and the construction of a fouling resistance-based mathematical model. Energy and Buildings, 150, 412–420. doi: http://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.06.025
Lanzafame, R., Mauro, S., Messina, M., Brusca, S. (2017). Heat Exchange Numerical Modeling of a Submarine Pipeline for Crude Oil Transport. Energy Procedia, 126, 18–25. doi: http://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.08.048
Zhao, C.-R., Zhang, Z., Jiang, P.-X., Bo, H.-L. (2017). Influence of various aspects of low Reynolds number k – ε turbulence models on predicting in-tube buoyancy affected heat transfer to supercritical pressure fluids. Nuclear Engineering and Design, 313, 401–413. doi: http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2016.12.033
Jafari, M., Farhadi, M., Sedighi, K. (2017). Thermal performance enhancement in a heat exchanging tube via a four-lobe swirl generator: An experimental and numerical approach. Applied Thermal Engineering, 124, 883–896. doi: http://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.06.095
Shybetskiy, V., Semeniuk, S., Kostyk, S. (2017). Design of consrtuction and hydrodynamic modeling in a roller bioreactor with surface cultivation of cell cultures. ScienceRise, 7 (36), 53–59. doi: http://doi.org/10.15587/2313-8416.2017.107176
Zakomornyi, D. M., Kutovyi, M. H., Kostyk, S. I., Povodzynskyi, V. M., Shybetskyi, V. Yu. (2016). Hydrodynamics of fermenter with multi-shaft stirrer. ScienceRise, 5 (2 (22)), 65–70. doi: http://doi.org/10.15587/2313-8416.2016.69451
Kostyk, S. I., Ruzhynska, L. I., Shybetskyi, V. Yu., Revtov, O. O. (2016). Mathematical simulation of hydrodynamics of the mixing device with magnetic drive. ScienceRise, 4 (2 (21)), 27–31. doi: http://doi.org/10.15587/2313-8416.2016.67275
Shi, Z., Graber, Z. T., Baumgart, T., Stone, H. A., Cohen, A. E. (2018). Cell Membranes Resist Flow. Cell, 175 (7), 1769. doi: http://doi.org/10.1016/j.cell.2018.09.054