![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ФИЦ ПХФ и МХ РАН |
||
В контексте данного проекта под крупномасштабными возмущениями понимаются воздействия на поток, масштаб которых соизмерим с характерными размерами исследуемого течения. К таким воздействиям можно отнести: возникновение нестационарных вихревых структур в местах отрыва пограничного слоя; конденсацию компонент высокоскоростного газового потока и взаимодействие образовавшегося конденсата с пограничным слоем; организацию вдува-отсоса с целью существенного изменения параметров пограничного слоя на проницаемой поверхности, а также взаимодействие области пристеночного течения со скачками уплотнения. Научный интерес к данным явлениям связан с их значительным влиянием как на распределение параметров основного потока (спонтанное перераспределение полной энтальпии потока), так и на параметры тепломассообмена на обтекаемой поверхности (коэффициенты теплоотдачи, температуру адиабатической стенки, фактор аналогии Рейнольдса). Как правило, крупномасштабные возмущения приводят к локальной интенсификации процессов тепломассообмена на поверхности обтекаемого тела и к существенному перераспределению параметров основного потока в области их распространения. Эти обстоятельства определяют возможность полезного использования указанных явлений - то есть увеличения интенсивности процессов тепломассообмена при минимизации затрат на прокачку теплоносителя, что является одной из основных задач теории тепломассообмена. Современный этап развития теплоэнергетики предполагает возможность детального количественного описания процессов тепломассообмена в энергетических установках, с предсказанием не только интегральных, но и локальных коэффициентов теплообмена. Обтекание препятствий, как правило, сопровождается нестационарным вихреобразованием, а ускоренные течения в каналах переменного сечения или наличие участков отвода/подвода массы нередко приводят к спонтанной конденсации влаги, что может кардинальным образом повлиять на тепловые режимы работы установок и требует развития надежных методов расчета тепломассообмена в указанных условиях. Понимание механизмов воздействия крупномасштабных возмущений на процессы тепломассообмена и возможность управления такими возмущениями позволят существенно снизить необратимые потери энергии в энергоустановках всех типов. Настоящий проект посвящен комплексному (экспериментальному и теоретическому) исследованию тепломассообмена для ряда типичных примеров крупномасштабных воздействий и геометрии потока, каждый из рассматриваемых примеров представляет самостоятельный интерес.
In the context of this project, the term `large-scale disturbances’ means the influences exerted on the flow, the scale of which is comparable with the characteristic dimensions of the flow under study. These influences may include: the formation of non-stationary vortex structures in the areas of boundary layer separation; condensation of the components of a high-speed gas flow and the interaction of the formed condensate with the boundary layer; the organization of injection/suction with the aim to change significantly the parameters of the boundary layer on a permeable wall, as well as the interaction of the near-wall flow with shock waves. Scientific interest in these phenomena is associated with its significant impact on the distribution of the main-flow parameters (spontaneous redistribution of the total enthalpy in the flow) and on the heat and mass transfer characteristics on the flow boundary (heat transfer coefficients, adiabatic wall temperature, factor of the Reynolds analogy, etc.). As a rule, large-scale disturbances lead to local intensification of heat and mass transfer processes on the body surface and to a significant redistribution of the main-flow parameters in the region of their action. These circumstances determine the favorable properties of these phenomena, i.e. increasing the intensity of heat and mass transfer processes while minimizing the cost of pumping the coolant, which is one of the main tasks of the heat and mass transfer theory. The modern stage in the development of heat power engineering assumes the possibility of a detailed quantitative description of heat and mass transfer processes in power plants, with the prediction of not only integral but also local heat transfer coefficients. The flow around obstacles is usually accompanied by non-stationary vortex formation, and accelerated flows in the channels with a variable cross-section or the presence of mass injection/suction often lead to spontaneous condensation of moisture, which can dramatically affect the thermal operation regimes of power units and requires the development of reliable methods for calculating heat and mass transfer in these conditions. Understanding of the mechanisms of the effects of large-scale disturbances on the heat/mass transfer processes and the ability to control such disturbances would substantially reduce the irreversible losses of energy in power plants of all types. The present project is devoted to a complex (experimental and theoretical) study of heat and mass transfer in a number of typical examples of large-scale disturbances and flow geometry, with each of the considered examples being of independent interest.
В результате проведенных исследований будут получены новые данные по влиянию крупномасштабных возмущений на процессы тепломассообмена в сжимаемых течениях. Будут получены новые данные по влиянию конденсации компонент высокоскоростного газового потока на характеристики тепломассообмена в пограничном слое сжимаемого газового потока. Будет численно исследована тепловая структура и перераспределение полной энтальпии в нестационарных следах за плохообтекаемыми телами и группами тел, а также в области присоединения отрывной зоны за обтекаемым препятствием. Будет исследованы волновые структуры, возникающие при взаимодействии косых ударных волн в газокапельном потоке с испаряющимися каплями. Будут получены новые результаты по влиянию продольного градиента давления на характеристики тепломассообмена в пограничном слое высокоскоростного газового потока, в частности, на температуру проницаемой теплоизолированной стенки и на возникновение и развитие критических режимов вдува/отсоса на проницаемой стенке. Будет получена критериальная зависимость для температуры теплоизолированной проницаемой стенки для ламинарного и турбулентного пограничного слоя в высокоскоростном потоке сжимаемого газа. Решение поставленных задач позволит сформулировать рекомендации по повышению энергоэффективности теплообменных аппаратов, теплозащитных систем, устройств безмашинного энергоразделения.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 23 апреля 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Влияние крупномасштабных возмущений в потоках сжимаемого газа на процессы тепломассообмена |
Результаты этапа: Проект направлен на теоретическое и экспериментальное исследование возможности существенной интенсификации процессов тепломассообмена и энергоразделения в потоке сжимаемого газа при наличии крупномасштабных возмущений, к которым относятся нестационарные вихревые течения, конденсация компонент высокоскоростного газового потока, а также вдув/отсос рабочего тела на протяженных участках обтекаемых поверхностей при наличии/отсутствии градиента давления. В первый год исследований выполнены следующие работы. Рассмотрены две задачи нестационарного обтекания тел вязким совершенным газом: (i) обтекание пары круговых цилиндров, центры которых смещены поперёк потока на расстояние H, и (ii) обтекание эллиптического цилиндра с коэффициентом сжатия K. Поставлены двумерные начально-краевые задачи для полных уравнений Навье-Стокса в рамках модели вязкого совершенного газа с постоянными коэффициентами удельной теплоемкости, вязкости и теплопроводности. Построены численные решения указанных задач на основе стабилизированного метода конечных элементов при числах Рейнольдса Re≤1000, Маха 0.1≤M≤0.5 и Прандтля Pr=0.72. Геометрические параметры задачи H, K менялись в пределах: 1.1≤H/D≤5, 0.1≤K≤10, где D – диаметр цилиндра. Расчеты проводились на суперкомпьютерах “Ломоносов” и “Ломоносов-2” суперкомпьютерного комплекса МГУ им. М.В. Ломоносова. В следе можно выделить две области пониженных значений осредненной по времени полной энтальпии газа, расположенных в области формирования вихрей и в сформировавшемся следе. Механизмы, ответственные за перераспределение энергии в этих областях, различны и связаны как с развитием рециркуляционных зон вблизи поверхности тела, в которых существенно действие вязких сил, теплопроводности и нестационарности течения, так и со структурой развитого вихревого следа, в котором для описания процесса перераспределения полной энтальпии достаточно учитывать только нестационарность потока. Наличие второго цилиндра позволяет повысить эффективность разделения полной энтальпии газа как в первой, так и во второй области. Результат немонотонно зависит от расстояния между цилиндрами, что связано со сменой режимов интерференции следов. Получено, что минимальные значения нормированной полной энтальпии в области формирования вихрей, а также наиболее интенсивное проявление эффекта Эккерта-Вайса достигаются при нерегулярном взаимодействии следов (например, при значениях параметров H/D≈1.5, Re=1000 и M=0.4), когда попеременно, на протяжении длительных интервалов по времени, наблюдается явная несимметрия схода вихрей – ближний след за одним цилиндром существенно шире, чем за другим. При этом в развитом следе область “холодного газа” оказалась наиболее ярко выражена при минимальном рассмотренном расстоянии между цилиндрами (H/D=1.1). Влияние коэффициента сжатия эллиптического цилиндра на тепловую структуру потока связано, в первую очередь, с изменением интенсивности срывающихся вихрей и структуры вихревого следа (продольных и поперечных расстояний между вихрями). Показано, что при уменьшении длины поперечной оси эллипса эффективность разделения полной энтальпии в следе падает; при уменьшении продольной оси – растет. Построена обобщенная модель высокоскоростного сжимаемого двухфазного (газокапельного) пограничного слоя на плоской стенке с учетом возможных фазовых переходов (испарения и конденсации) на поверхности капель и образования жидкой пленки на обтекаемой поверхности. Для описания внешнего (невязкого) течения построена квазиодномерная модель сверхзвукового течения газа с каплями при наличии фазовых переходов (испарения и конденсации) в расширяющемся плоском канале заданного сечения. Для смеси «воздух - водяные капли» проведены параметрические численные расчеты внешнего двухфазного течения в канале, расширяющемся по линейному закону, при различных условиях (рассогласовании скоростей и температур фаз, числовой концентрации и размере капель, температуре и давлении газа) в начальном сечении канала. Исследовано влияние конденсации капель на изменение давления в канале. Разработана численная схема для расчета уравнений двухфазного пограничного слоя с учетом как испарения, так и конденсации капель. Построена асимптотическая модель, описывающая течение жидкой пленки, возникающей на обтекаемой поверхности за счет осаждения капель под действием боковой силы Сэфмана. В настоящее время проводятся отладочные расчеты течения в двухфазном пограничном слое при различных градиентах давления во внешнем потоке с учетом испарения и конденсации жидкой фазы и наличия жидкой пленки. Создана математическая модель течения газа в пограничном слое с теплообменом на проницаемой стенке при наличии вдува или отсоса газа. Разработан алгоритм и программа для численного решения задачи теплообмена в пограничном слое на стенке в дозвуковом и сверхзвуковом потоках газа при сложных граничных условия. Проведены тестовые расчеты. На данном этапе исследований численно решены две задачи течения и теплообмена для сжимаемого ламинарного (с целью исключить влияние турбулентности на характеристики теплообмена) пограничного слоя на проницаемой пластине. 1. Проведено численное исследование ламинарного сжимаемого пограничного слоя на проницаемой пластине с отсосом газа на стенке при наличии продольного градиента давления. Для течения с ускорением на непроницаемой пластине коэффициент восстановления температуры близок к известной в литературе величине r=Pr^0.5. В случае отсоса газа на стенке адиабатная температура стенки стремится к температуре торможения набегающего потока, а коэффициент восстановления температуры стремится к единице. Режим асимптотического отсоса наступает только при интенсивном отсосе газа из пограничного слоя. 2. Проведено численное исследование ламинарного сжимаемого пограничного слоя на проницаемой пластине с однородным вдувом для чисел Прандтля газа Pr < 1. Рассмотрены режимы, при которых температуры вдуваемого газа ниже адиабатной температуры непроницаемой стенки при заданных параметрах основного потока. Получено, что: на некотором расстоянии от начала вдува температура проницаемой стенки становится ниже температуры вдуваемого газа. При этом температура проницаемой стенки проходит через минимум в данной области. Этот минимум с уменьшением температуры вдуваемого газа смещается к сечению критического вдува, и при некоторой температуре вдуваемого газа совпадает с ним. Для этого случая вводится величина критической адиабатной температуры проницаемой стенки. Для этой величины получена критериальная зависимость от чисел Прандтля и Маха, которая позволяет оценить диапазон температур вдуваемого газа, при котором возможно существование данного эффекта. В рамках экспериментального исследования произведена модернизации системы подготовки влажного воздуха. С этой целью закуплены парогенератор автоматический электрический ТЭНовый, предназначенный для выработки насыщенного водяного пара с температурой до 158 ° С и давлением выше атмосферного и - пароперегреватель электрический, предназначенный для перегрева пара выше температуры насыщения ( до 250 ° С). Произведен монтаж и включение данного оборудования в общую систему экспериментальной установки. Произведены пуско-наладочные испытания. В осесимметричных конических каналах с одинаковыми углами раскрытия, но разными значениями диаметров критического сечения (5,7 и 10 мм), проведены тестовые экспериментальные исследования по влиянию продольного градиента статического давления на величину адиабатной температуры стенки при сверхзвуковом течении влажного воздуха в случае возникновения скачков конденсации. Эксперименты проводились в диапазоне температуры 25-55 С и начальном давлении смеси 1.75, 2.0, 3.0 и 3.25 атм. При данных условиях начальное влагосодержание во влажном воздухе изменялось от 0.7 до 30 г/кг. Для каждого режима измерены распределения статического давления на стенке канала вдоль его длины, а также температура стенки канала (тепловизором). Наличие/отсутствие скачка конденсации регистрировалось по отклонению профиля статического давления от профиля, измеренного для случая течения сухого воздуха. | ||
2 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Влияние крупномасштабных возмущений в потоках сжимаемого газа на процессы тепломассообмена |
Результаты этапа: -- Полная энтальпия однородного потока перераспределяется за обтекаемым теплоизолированным телом таким образом, что в области формирования вихрей и в центральной части развитого следа происходит охлаждение газа в терминах температуры торможения. Это явление энергоразделения также наблюдается в осредненном по времени течении и может приводить к тому, что температура восстановления в кормовой части тела становится ниже статической температуры набегающего потока (эффект Эккерта-Вайса или эффект «аэродинамического охлаждения»). С помощью численного решения уравнений Навье–Стокса изучено разделение энергии в следе, эффект Эккерта–Вайса и их чувствительность к интерференции потока за парой цилиндров. Рассмотренные расстояния между цилиндрами охватывают ключевые режимы интерференции: одиночные вихревые дорожки, бистабильные режимы и режимы с синхронным срывом вихрей. Получено, что первый и второй режимы усиливают эффективность разделения энергии в следе и интенсивность эффекта Эккерта–Вайса соответственно. В развитом следе показана отчетливая связь между вихревой структурой и перераспределением полной энтальпии, а также получено ограничение интенсивности этого перераспределения, обусловленное дефектом скорости. Выяснена связь эффекта Эккерта–Вайса с процессом вихреобразования. Так, охлаждение газа за телом в основном происходит из-за пониженного давления в формирующихся вихрях (и их движения вблизи поверхности тела к центральной части следа), т.е. среди механизмов изменения полной энтальпии в жидких частицах флуктуации давления оказываются наиболее значимыми. Противоположный эффект оказывает вовлечение нагретого газа в зазор между телом и сходящим в след сформировавшимся вихрем. Интенсивность эффекта Эккерта-Вайса определяется балансом между охлаждением и нагревом в результате этих двух процессов. -- Построена двухжидкостная математическая модель сверхзвукового течения газокапельной смеси в плоском расширяющемся канале с учетом роста капель за счет конденсации пара в области за скачком конденсации. Численно исследована структура течения как в невязком ядре потока, так и в двухфазном пограничном слое. Рассмотрен диапазон параметров, в котором зона спонтанной конденсации (“скачок конденсации”) достаточно узка, и сразу за этим скачком параметры фаз практически достигают термодинамического равновесия. Ниже по течению радиус капли продолжает расти из-за расширения потока и дальнейшей конденсации пара. Основное исследование проводится в области течения, где капли становятся уже достаточно инерционными и происходит рассогласование скоростей и температур фаз, поэтому для адекватного моделирования полей скорости и температуры обеих фаз используется двухскоростная и двухтемпературная модель вложенных континуумов. В дополнение к стоксовой силе сопротивления учитывается подъемная сила Сэфмана, действующая на капли в пограничном слое. Сила Сэфмана приводит к осаждению капель и образованию тонкой пленки жидкости на стенках канала. Проведен параметрический численный анализ структуры двухфазного течения в области невязкого течения и в пристеночном пограничном слое, проанализировано влияние фазовых переходов (конденсации и испарения капель, а также образования пленки) на снижение равновесной температуры адиабатической стенки канала. Показано, что в ядре потока температура газа немонотонна вдоль оси сопла из-за противоборства двух физических механизмов: падения давления, связанного с расширением и ускорением потока, и тепловыделения, связанного с конденсацией капель. В начальной области канала температура понижается, а затем, пройдя через минимум, начинает расти. С увеличением исходной массовой концентрации капель от 10-3 до 10-2 и выше минимальная температура в сопле резко возрастает. Наиболее интенсивная конденсация и максимальный рост радиуса капель наблюдаются при достаточно малых массовых концентрациях капель в каналах с достаточно быстрым расширением. Скорость роста радиуса капли (а также максимальный радиус капель) увеличиваются с увеличением коэффициента расширения канала и коэффициента скорости фазового перехода. Равновесная температура адиабатической стенки существенно зависит от режима течения в пристеночной области: (i) на масштабах, где существует пленка, температура стенки равна температуре капель сразу за скачком конденсации; (ii) ниже по течению, где жидкая пленка может полностью испариться, влияние капель на снижение температуры адиабатической стенки возрастает с уменьшением числа Маха и увеличением начальной концентрации капель. Длина области существования пленки зависит от числа Маха потока, коэффициента при силе Сэфмана, массовой концентрации капель, а также от параметра, характеризующего скорость испарения на поверхности пленки. Проведенное параметрическое исследование показало, что пленка может образовываться на стенках канала в достаточно широком диапазоне определяющих параметров, если только число Маха не слишком велико. Пленка не образуется при очень малых массовых концентрациях капель, а также при относительно малых значениях параметра, характеризующего вклад силы Сэфмана. Кроме того, чем больше значение числа Маха, тем быстрее жидкость испаряется с поверхности стенки канала. При начальных значениях массовой концентрации капель порядка процента, в зависимости от числа Маха и других параметров, снижение адиабатической температуры стенки по сравнению с таковой в потоке чистого газа может достигать нескольких десятков процентов. Несмотря на очевидные ограничения рассматриваемой схематической математической модели, не учитывающей возможные эффекты турбулентности и неустойчивости пленки, результаты численного моделирования для расширяющегося канала свидетельствуют о том, что спонтанная конденсация в достаточно влажном воздухе может существенно снизить температуру адиабатической стенки канала. Следовательно, использование процесса капельной конденсации в расширяющихся каналах может быть перспективным методом повышения эффективности безмашинного энергоразделения в газовых потоках с повышенной влажностью. Проведены экспериментальные исследования по влиянию начальной закрутки сверхзвукового потока на интенсификацию теплообмена при течении сухого и влажного воздуха. Использовалось два лопаточных завихрителя лопатки, которого были спрофилированы по закону постоянной циркуляции и по закону вращения твердого тела, степень закрутки S=0.5. Эксперименты проводились в диапазоне температуры 36-55 С и начальном давлении смеси 3.0 атм. При данных условиях начальное влагосодержание во влажном воздухе изменялось от 0.7 до 37 г/кг. Для каждого режима измерены распределения статического давления на стенке канала вдоль его длины, а также температура стенки канала (тепловизором). Наличие/отсутствие скачка конденсации регистрировалось по отклонению профиля статического давления от профиля, измеренного для случая течения сухого воздуха. Полученные данные сравнивались с результатами исследований, проведенных в том же канале без начальной закрутки потока. На данном этапе зафиксировано, что при течении сухого воздуха начальная закрутка сверхзвукового потока не приводит к интенсификации теплообмена за счет снижения локальной величины адиабатной температуры стенки. В то время как при течении влажного воздуха возможна интенсификация теплообмена в области сверхзвуковых скоростей за счет снижения величины адиабатной температуры стенки. | ||
3 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Влияние крупномасштабных возмущений в потоках сжимаемого газа на процессы тепломассообмена |
Результаты этапа: I. Путем численного решения уравнений Навье–Стокса изучено влияние формы обтекаемого эллиптического цилиндра на степень охлаждения (снижение температуры торможения) газа в следе, а также эффективность управления распределением полной энтальпии вблизи неподвижной стенки с помощью внесения в поток кругового цилиндра. В центральной части развитого следа за плохообтекаемыми телами происходит более интенсивное (по сравнению с телами лучшей обтекаемой формы) падение кинетической энергии из-за увеличения циркуляции срывающихся вихрей и поперечного расстояния между ними. При этом из-за сильного разрежения в области формирования вихрей за такими телами происходит падение температуры (внутренней энергии) в вихревых ядрах. В результате энергоразделение за плохообтекаемыми телами оказывается на порядок более эффективным, чем за хорошо обтекаемыми. Показано, что явление может быть качественно описано с помощью идеализированных моделей на основе поля скоростей в развитом следе. Однако из-за неучета перераспределения полной энтальпии при вихреобразовании в подобных моделях, они могут приводить к недостаточно точным результатам в вихревых ядрах. Численные расчеты показали, что воздействие на распределение полной энтальпии вблизи стенки канала с помощью внесения кругового цилиндра в поток малоэффективно – по мере приближения обтекаемого тела к стенке интенсивность энергоразделения падает. Это объясняется тем, что действие основного механизма (пульсации давления, вызванные срывающимися с тела вихрями), отвечающего за возникновение существенно охлажденных областей газа в следе, ослабевает: чем ближе тело к стенке, тем меньше интенсивность вихревого следа и амплитуда пульсаций давления. II. Параметрические численные расчеты газокапельного течения в двухфазном пограничном слое на стенке расширяющегося канала за зоной спонтанной конденсации подтвердили качественные результаты, полученные на предыдущем этапе работы: равновесная температура адиабатической стенки полностью определяется режимом течения в пристеночной области. При выпадении капель на стенку за счет боковой силы Сэфмана на масштабах, где существует жидкая пленка, температура стенки равна температуре капель непосредственно за скачком конденсации, а ниже по течению, где жидкая пленка может полностью испариться, эффект снижения равновесной температуры стенки усиливается с уменьшением числа Маха и увеличением начальной концентрации капель. Подтвержден основной количественный вывод для равновесной температуры адиабатической стенки: при начальных значениях массовой концентрации капель за скачком конденсации порядка процента, в зависимости от числа Маха и других параметров, снижение адиабатической температуры стенки по сравнению с соответствующей температурой в потоке чистого газа может достигать нескольких десятков процентов. Изучены различные типы скачков уплотнения в газокапельных потоках с испаряющимися каплями: прямой скачок, косой скачок, а также отражение косого скачка уплотнения от плоской стенки. Выведены обобщенные соотношения Рэнкина-Гюгонио на таких скачках, связывающие равновесные параметры двухфазного потока до и после волны. Обнаружено, что возможны два различных случая: 1) капли в зоне релаксации за ударной волной в газе полностью испаряются, и за волной течение становится однофазным; 2) капли испаряются частично, и фазы достигают нового состояния равновесия. Установлено, что в газокапельном потоке с испаряющимися каплями возможно существование волн с полной дисперсией, когда газодинамический разрыв отсутствует, а волна представляет собой область непрерывного увеличения давления газа и изменения других параметров несущей и дисперсной фаз. При этом параметры до и после волны связаны обобщенными соотношениями Рэнкина – Гюгонио. Найдены диапазоны безразмерных определяющих параметров (числа Маха и относительной массовой концентрации капель), соответствующие прямым и косым волнам с полной/частичной дисперсией, с полным/неполным испарением капель за волной. С использованием обобщенных соотношений Рэнкина-Гюгонио найдены границы существования решений, соответствующих следующим различным режимам: 1) полное испарение капель за падающей волной, 2) за падающей волной капли испаряются частично, за отраженной волной - полностью, 3) неполное испарение за отраженной волной. Найдены десять различных вариантов регулярного отражения скачка уплотнения от стенки, которые соответствуют различным комбинациям полного/неполного испарения капель за падающим/отраженным скачком и вырождения одного или обоих скачков в волну с полной дисперсией. Определены диапазоны параметров (числа Маха, угла между стенкой и падающим скачком и массовой концентрации капель), при которых реализуется каждый из 10 возможных вариантов, а также условия возникновения маховского отражения и исчезновения отраженных волн. III Создана математическая модель течения газа в пограничном слое с теплообменом на проницаемой стенке при наличии вдува или отсоса газа; разработан алгоритм и программа для численного решения задачи теплообмена в пограничном слое на стенке в сверхзвуковом потоке газа при наличии продольного градиента. Проведены тестовые расчеты сверхзвукового турбулентного пограничного слоя на непроницаемой теплоизолированной пластине с продольным положительным градиентом давления (ПГД), который был реализован за счет линейного уменьшения числа Маха по длине, в диапазоне изменения параметров градиента β=0÷20, К=-10^-8÷10^-5 для четырех законов изменения числа Маха M1/M2=1.5/1; 2/1; 2.5/1; 3/1 в сравнении с дозвуковым течением на пластине (М=0.06). Получены зависимости для коэффициента трения от числа Re по толщине потери импульса Cf(Re**), относительного коэффициента трения от числа Маха Cf/Cf0(M), которые находятся в удовлетворительном согласовании с известными экспериментами. Влияние градиента давления на коэффициент восстановления температуры r(β) слабое и не превосходит точности измерений r=0.88±0.02. Проведено численное исследование турбулентного пограничного слоя на проницаемой теплоизолированной пластине в сверхзвуковом потоке с ПГД, который, как и в случае течения на непроницаемой пластине, был реализован за счет уменьшения числа Маха по длине, для четырех законов изменения числа Маха M1/M2=1.5/1; 2/1; 2.5/1; 3/1, в диапазоне изменения параметра β=0÷120, интенсивности вдува (отсоса) jw=-0.03÷0.03 (параметр проницаемости bm=-3÷4), числа Рейнольдса до Rex=10^7. Получены расчетные данные изменения коэффициента трения, адиабатной температуры стенки по длине Cf(Rex), Taw(Rex). Получено обобщение относительной величины коэффициента трения Cf/Cf0(β) по параметру β =20÷120 для интенсивности вдува jw=0.001÷0.003. Отмечено существенное влияние ПГД на течение на проницаемой стенке со вдувом и заметное ослабление влияния проницаемости на коэффициент восстановления температуры в потоке с ПГД по сравнению с безградиентным потоком на примере зависимости r(bm) для законов изменения числа Маха набегающего потока по длине пластины M1/M2=3/1 и M=const=3. Проведено численное исследование сжимаемого ламинарного пограничного слоя на проницаемой пластине с однородным вдувом. Расчеты проведены в диапазоне изменения числа Прандтля газа Pr=0.1÷1, температур торможения набегающего потока Te*=400÷600 K, температур вдуваемого газа Twcr<Tj<Taw0 , чисел Маха М=3÷5 и Рейнольдса Rex до 10^8. Была уточнена полученная авторами ранее [критериальная зависимость K от чисел Прандтля, Маха и температуры торможения, позволяющая оценить диапазон температур вдуваемого газа Tj, при котором возможно существование минимума температуры проницаемой стенки Tw. Проведен сравнительный анализ двух режимов течения на проницаемой пластине в сверхзвуковом потоке аргона Ar: режима отсоса аргона на стенке и режима инородного вдува гелия в сверхзвуковой поток аргона. В обоих случаях за проницаемым участком следовал участок непроницаемой теплоизолированной пластины. Расчеты проведены в диапазоне изменения числа Прандтля Pr=0.18÷0.7 для режима инородного вдува, Pr=0.7 – для режима отсоса, числа Маха M=1÷3, интенсивности вдува/отсоса jw=±0÷0.01. В случае отсоса проницаемая стенка полагалась теплоизолированной, в случае инородного вдува – вдув осуществлялся с заданной температурой Tj=250÷450 K. При отсосе газа адиабатная температура проницаемой стенки Taw и коэффициент восстановления r возрастают для чисел Pr<1, тем сильнее, чем ниже число Прандтля газа набегающего потока. При наступлении асимптотического отсоса на стенке адиабатная температура стенки становится равна температуре торможения потока Taw=Te*, а коэффициент восстановления - r=1. При инородном вдуве на проницаемой стенке в диапазоне температур вдуваемого газа Tj<Taw* образуется область, в которой температура стенки Tw ниже как величины Taw*, так и Tj. С уменьшением значения Tj минимум Tw смещается в сторону сечения критического вдува, концентрация гелия на стенке растет до значения Сw=1 при критическом вдуве, число Pr смеси He-Ar имеет минимум который в первом приближении совпадает с минимумом температуры стенки Tw. На участке непроницаемой теплоизолированной стенки, следующей за проницаемой, для обоих режимов температура стенки Tw резко снижается, достигая минимального значения, величина которого не зависит от интенсивности вдува/отсоса, но зависит от температуры вдуваемого газа. При этом механизм образования зоны с пониженной температурой стенки разный. Для режима отсоса газа – это ламинаризация пограничного слоя на проницаемой стенке при интенсивном отсосе с выходом на режим асимптотического отсоса, для режима инородного вдува – падение на непроницаемой стенке концентрации вдуваемого гелия Cw(He) с максимального значения в конце участка вдува, в следствие чего зависимость числа Прандтля смеси He-Ar на стенке так же имеет минимум, координата которого, как и в случае с проницаемой стенкой, в первом приближении совпадает с координатой минимума температуры стенки. Таким образом, для режима инородного вдува в принятой постановке возможно образование двух зон (на проницаемом и на непроницаемом участке) с температурой стенки Tw, ниже как адиабатной температуры непроницаемой стенки Taw*, так и температуры вдуваемого газа Tj. Данный результат может найти применение в исследованиях по теплозащите стенок высоконагруженных элементов энергоустановок. IV Проведено сравнительное экспериментальное исследование влияние интенсификаторов теплообмена – осесимметричного уступа и сферических лунок на величину адиабатной температуры стенки в сжимаемом потоке влажного воздуха. Распределение параметров (статического давления, температуры стенки) в канале с осесимметричным уступом сравнивалось с распределением в цилиндрическо-коническом канале. Оба канала имели одинаковую степень расширения 2.04 и одинаковые длины соответствующих участков. Сравнения проводились при идентичных начальных параметрах потока (RH = 1…95%, температура торможения T_0^*=25.5;35.7;46.7±0.3 ℃, давление торможения P_0^*=300±3 kPa.) . Сравнительные исследования влияния лунок проводились в плоских каналах. Каналы имели одинаковый профиль и состояли из двух участков – постоянной ширины 18 мм и, следующего за ним, расширяющегося (угол раскрытия 3.9 град). Лунки располагались расширяющейся части одного из каналов (шаг в продольном направлении 10 мм, в поперечном 8 мм, диаметр сферы 13.6 мм, диаметр пятна 4 мм, глубина лунки 0.3 мм). Сравнения проводились при идентичных начальных параметрах потока (RH = 20…95%, температура торможения T_0^*=46.7±0.3 ℃, давление торможения P_0^*=250±3 kPa.) Получены следующие результаты: Минимальные значения статического давления и температуры достигаются в непосредственной окрестности за осесимметричным уступом, тогда как в цилиндрическо-коническом канале минимальные значения этих параметров достигаются на выходе из конического участка. В цилиндрическо-коническом канале область скачка конденсации явно выражена отклонением распределения статического давления и температуры стенки от распределения, полученного для случая течения «сухого» воздуха и смещается с ростом начальной влажности в сторону меньших чисел Маха. В канале с уступом конденсация во всех случаях происходит непосредственно за уступом. С ростом начальной влажности температура стенки начинает расти сразу за уступом и растет на всей длине канала, за уступом рост относительно режима сухого воздуха больше, чем у выхода из канала. Тогда как в цилиндрическо-коническом канале картина иная: максимальный прирост температуры стенки наблюдается в области конденсации и далее он снижается, доходя до отрицательных значений в области выхода из конического участка, причем область отрицательных значений возникает при RH≈70% и распространяется с дальнейшим ростом RH. При идентичных величинах начальной относительной влажности RH прирост температуры стенки в канале с уступом практически не зависит от начального влагосодержания d. Тогда как в цилиндрическо-коническом канале рост начального влагосодержания при постоянном RH существенно влияет на прирост температуры стенки. В плоском канале со сферическими лунками изменение средней температуры стенки с ростом начальной влажности качественно идентично изменению этой величины в канале без лунок. Локальные распределения температуры отличаются в пределах 2-4 С. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".