ИСТИНА

Основной предпосылкой Проекта является тот факт, что подобие процессов передачи теплоты и импульса (аналогия Рейнольдса) справедливо лишь в самых простых течениях (обтекание гладких поверхностей безградиентным потоком). В более общих случаях наличие дополнительных воздействий на течение приводит к нарушению этого подобия, вызывая опережающий рост коэффициента трения по сравнению с коэффициентом теплоотдачи, что, в свою очередь, приводит к ухудшению теплогидравлических характеристик обтекаемых поверхностей. Как показывают некоторые исследования и работа авторов Проекта, одним из немногих воздействий, позволяющим добиться опережающего роста коэффициента теплоотдачи - является наложение на пограничный слой продольного градиента давления. Учитывая тот факт, что продольный градиент давления присутствует в течениях газов в большинстве ответственных приложений, где состояние пограничного слоя является критически важным (авиационная, ракетно-космическая техника, проточные тракты турбомашин, теплообменное оборудование и прочие элементы энергоустановок) расширение знаний о возможности извлечения положительного эффекта от воздействия градиента давления на пограничный слой крайне необходимо. Изначально (в первой половине 20 века) интерес к поведению турбулентных пограничных слоев при наложенном градиенте давления в основном был связан с их отрывом при неблагоприятном градиенте давления. Со временем круг задач стал расширяться – исследования динамических пограничных слоев с благоприятным градиентом давления показали возможность их ламинаризации и снижения трения. Более поздние проблемы, связанные с охлаждением лопаток газовых турбин и особенно сопел двигателей, вызвали повышенный интерес к поведению тепловых пограничных слоев в сжимаемых течениях при наличии как положительного, так и отрицательного градиента давления. Очевидно, что такие течения представляют собой актуальную научную проблему, ведь пограничные слои с продольным градиентом давления и отрывные течения можно встретить практически повсеместно: во внутренних течениях - от теплообменных аппаратов до сопел двигателей, во внешних течениях – от лопаток ветрогенераторов до ступеней газовых турбин.

The main background of the Project is the fact that the similarity of heat and momentum transfer processes (the Reynolds analogy) is valid only in the simplest flows (flow around smooth surfaces with a zero-pressure gradient). In more general cases, the presence of additional influences on the flow leads to a violation of this similarity, causing a faster increase in the friction coefficient compared to the heat transfer coefficient, which, in turn, leads to a deterioration in the thermal-hydraulic characteristics of the heat-transfer surfaces. As some studies of different researchers and the work of the authors of the Project shows, one of the few influences that makes it possible to achieve a rapid increase in the heat transfer coefficient is the imposition of a longitudinal pressure gradient on the boundary layer. Taking into account the fact that a longitudinal pressure gradient is present in gas flows in most responsible applications where the state of the boundary layer is critical (aviation, rocket and space technology, turbomachinery, heat exchangers and other elements of power machines), expanding knowledge about the possibility of extracting a positive effect from the impact of the pressure gradient on the boundary layer is essential. Initially (in the first half of the 20th century), interest in the behavior of turbulent boundary layers under an imposed pressure gradient was mainly associated with their separation under an adverse (positive) pressure gradient. Over time, the range of problems began to expand - studies of dynamic boundary layers with a favorable (negative) pressure gradient showed the possibility of their laminarization and friction reduction. More recent problems related to the cooling of gas turbine blades and especially engine nozzles have given rise to an increased interest in the behavior of thermal boundary layers in compressible flows in the presence of both positive and negative pressure gradients. It is obvious that such flows are an urgent scientific problem, because boundary layers with a longitudinal pressure gradient and separated flows can be found almost everywhere: in internal flows - from heat exchangers to engine nozzles, in external flows - from wind turbine blades to highly loaded stages of gas turbines. The relevance is caused by interest in the fundamental side of the problem: the presence of additional parameters (in addition to shear stresses on the wall) that control the development of the boundary layer. This is also of practical interest: the pressure gradient allows us to control the parameters of the boundary layers that affect the relationship between friction and heat transfer intensity. This, in turn, causes significant difficulties in modeling, both numerically and experimentally. Despite sufficient knowledge and importance of the noted effects, the results of published studies are very controversial. Therefore, there is a need to conduct thorough experimental and related numerical studies of heat and momentum transfer processes in compressible gas flows with a pressure gradient and/or boundary layer separation, which will provide reliable data on the possibility of increasing the Reynolds analogy coefficient. The novelty of research is determined by the complexity of the proposed approach, which combines experimental and related numerical studies of heat and momentum transfer processes, variation in a wide range of regime parameters, and the use of modern research methods that ensure the reliability of the data obtained. This became possible due to a significant progress in the field of methods of physical experiment and numerical simulation, and, as a result, with the possibility of obtaining more detailed information about the phenomena under study. This approach will make it possible to eliminate the existing contradictions in the published data on the change in the Reynolds analogy coefficient in gradient and separated flows, and to propose recommendations for increasing the thermal-hydraulic efficiency of existing methods of heat transfer enhancement.

В результате намеченных работ будут получены новые данные экспериментальных и численных исследований процессов переноса теплоты и импульса в течениях сжимаемого газа с градиентом давления и отрывом потока. Будет установлено влияние градиента давления и отрыва потока на коэффициенты теплоотдачи, восстановления температуры и трения в течениях сжимаемого газа. На основе проведенных исследований будут выявлены тенденции по воздействию градиента давления на теплогидравлическую эффективность поверхностей, обтекаемых потоком сжимаемого газа, режимы течения с максимальной теплогидравлической эффективностью. Решение поставленных задач позволит сформулировать рекомендации по повышению энергоэффективности теплообменных аппаратов, систем теплозащиты, устройств безмашинного энергоразделения. Все постановки задач являются естественным продолжением работы по Проекту 2019 года, все запланированные исследования являются оригинальными, а используемые методы физического эксперимента (диагностическое оборудование, обработка полученной информации и т.п.) и численные методы соответствуют мировому уровню. Полученные результаты будут опубликованы в ведущих рецензируемых отечественных и международных научных журналах.

У авторов проекта имеется существенный научный задел и значительный опыт работы по тематике предлагаемого проекта, о чем свидетельствуют многочисленные публикации авторов в ведущих научных журналах. Предлагаемые к исследованию постановки задач являются естественным продолжением и развитием работ по Проекту РНФ 2019 года. Достижимость решения поставленных задач и возможности получения запланированных результатов основаны на имеющемся у коллектива научно-техническом заделе, включающем функционирующие экспериментальные стенды, оборудованные новейшими средствами автоматизации (технологии National Instruments) и диагностики (высокоскоростные инфракрасные камеры с охлаждаемыми матрицами, высокочувствительные датчики давления и температуры, термопарные блоки с термокомпенсацией, зондовое оборудование, теневые приборы Теплера). Наличие собственного станочного парка (токарно-винторезный Optimum OptiTurn D320x920 и трехкоординатный фрезерный Optimum OptiMill BF20V станки с ЧПУ), и парка 3-D принтеров (фотополимерный принтер Uniz SlashPro и FFF-принтер (послойное наплавление) Bizon 2) дает возможность оперативно модернизировать стенды и изготавливать модели.

В ходе выполнения Проекта исследовано влияние продольного градиента давления на коэффициенты трения, восстановления температуры и теплоотдачи в сжимаемом газовом потоке. Были рассмотрены течения с положительным (неблагоприятным) и с отрицательным (благоприятным) градиентом давления, в том числе в условиях значительных параметров ускорения потока, характерных для ламинаризации. Объект исследования - профилированные каналы аэродинамической установки, обеспечивающие различные градиенты давления. Общее число исследованных каналов составило десять штук. Для исследованных в эксперименте геометрий и параметров набегающего потока были решены уравнения пограничного слоя в приближении узкого канала с использованием sst модели турбулентности. За первый период (2022-2023 гг.) Проекта исследовано влияние положительного продольного градиента давления на параметры динамического и теплового пограничного слоя сжимаемого газа. Было выполнено 99 экспериментальных пусков для определения коэффициентов трения, теплоотдачи и восстановления температуры. Исследованы каналы с разными профилями сверхзвуковых участков, на которых реализовывалось течение сжимаемого газа с положительным градиентом давления. Изменение градиента давления достигалось за счет изменения угла раскрытия канала, следующего за сверхзвуковым соплом. Боковые стенки сверхзвуковой части канала были линейными. Угол раскрытия менялся в диапазоне 0-4°. Канал с углом раскрытия 0° соответствовал максимально достижимому в данной конфигурации положительному градиенту давления, безградиентное течение реализовано в канале с углом раскрытия 3°. Геометрия сопла взята из атласа плоских сопел с расчетным числом Маха на выходе M=2.0. На первом этапе Проекта получены следующие результаты: Зафиксировано снижение коэффициента трения с ростом величины продольного градиента и протяженности области градиентного течения. Так, для канала постоянного поперечного сечения относительный коэффициент трения (отнесенный к коэффициенту трения в безградиентном канале в том же сечении) снижается от 1 на срезе сопла до 0.85 на выходе из канала. Получено незначительное снижение безразмерного коэффициента теплоотдачи с ростом градиента давления. Наибольшее снижение наблюдается для канала постоянного поперечного сечения: относительный коэффициент теплоотдачи (отнесенный к коэффициенту теплоотдачи в безградиентном канале) падает с 1 на срезе сопла до 0.93 на выходе из канала. Отмечено отсутствие влияния градиента давления на коэффициент восстановления температуры. Значения коэффициента восстановления соответствуют значению для безградиентного турбулентного пограничного слоя в рассмотренном диапазоне параметров потока. Предложена методика моделирования турбулентного течения в канале с непроницаемыми и проницаемыми стенками. Для замыкания уравнений пограничного слоя используется трехпараметрическая модель турбулентности, дополненная уравнением переноса турбулентного потока тепла. Проведены расчеты течения воздуха и бинарных газовых смесей с низким значением молекулярного числа Прандтля. Показано, что возникающий в трубе при отсосе газа положительный градиент давления приводит к нарушению аналогии Рейнольдса. Проведена оценка влияния теплофизических свойств и турбулентного числа Прандтля на теплообмен. За второй период (2023-2024 гг.) Проекта исследованы пограничные слои с отрицательным градиентом давления, в том числе при наличии ламинаризации. Было выполнено 54 экспериментальных пуска. Исследования были разделены на 3 этапа. На первом этапе второго периода исследовано влияние распределения локальных значений параметра ускорения потока K в соплах на коэффициенты теплоотдачи и температуру теплоизолированной стенки. Изменение K по длине обеспечивалось профилированием плоских сопел: - геометрия первого сопла (сопло №1), взятая из атласа плоских сопел, обеспечивала плавный разгон на значительной протяженности. Максимальные значения параметра ускорения потока менялись в диапазоне 1.65…3.5∙10^-6 в зависимости от давления торможения в форкамере (3.05…1.43 атм соответственно); - для второго сопла (сопло №2) дозвуковая часть спрофилирована с использованием контура Витошинского, сверхзвуковая часть - методом характеристик. Для данного сопла характерны высокие значения K на более короткой дистанции. Максимальные значения параметра ускорения потока менялись в диапазоне 7.5…16∙10^-6 при тех же величинах давления торможения. В результате на первом этапе получены поля коэффициентов теплоотдачи и восстановления температуры в соплах разной геометрии при различных параметрах ускорения потока K. На втором этапе проводилось экспериментальное и численное исследование процессов теплообмена в сопле №1 предыдущего этапа. Получены результаты численного расчета с использованием sst, k-ω-γ и sst-γ-Re моделей турбулентности. В результате исследований второго этапа получены данные о применимости к моделированию обратного турбулентно-ламинарного перехода моделей турбулентности, описывающих прямой ламинарно-турбулентный переход. На третьем этапе исследованы течения в каналах с постоянным параметром ускорения K. Значения параметра ускорения потока при давлении торможения 2.0 атм составляли K=2, 3, 4∙10^-6. Эти значения были как выше, так и ниже значения, характеризующего начало ламинализации. В результате исследований третьего этапа Проекта получены данные о влиянии отрицательного градиента давления с постоянным параметром ускорения потока K на пограничный слой. За второй период Проекта получены следующие результаты: Наложение отрицательного градиента давления приводит к существенному (до 2-х раз) снижению коэффициента теплоотдачи в сравнении с безградиентным течением в диапазоне параметров ускорения потока до K=16∙10^-6. Коэффициент восстановления температуры менее чувствителен к ускорению и соответствует значению для развитого турбулентного пограничного слоя (r≈0.89). Тепловой пограничный слой реагирует на наложенный продольный градиент давления с «запаздыванием»: минимум коэффициента теплоотдачи находится ниже по потоку от максимума параметра ускорения. Снижение коэффициента теплоотдачи происходит на всем протяжении разгона потока. Использование дифференциальных моделей турбулентности позволяет учитывать неравновесность пограничных слоев c отрицательным градиентом давления. Наложение отрицательного градиента давления с параметром ускорения потока K=4∙10^-6 приводит к росту коэффициента трения в 1.13 раза в сравнении с безградиентным течением. Отмеченное поведение коэффициентов трения и теплоотдачи в пограничном слое с отрицательным градиентом давления приводит к нарушению аналогии Рейнольдса в сторону трения (снижению фактора аналогии Рейнольдса в 2.5 раза относительно безградиентных значений) в исследованном диапазоне параметров ускорения K=2…4∙10^-6. Суммируя полученные в Проекте научные результаты, стоит отметить следующее: • Наложение положительного градиента давления приводит к незначительному снижению коэффициентов трения (на 15%) и теплоотдачи (на 7%) в исследованных каналах. Это вызвано как прямым влиянием градиента давления на законы трения и теплообмена, так и косвенным влиянием на развитие пограничного слоя - увеличением числа Рейнольдса и уменьшением числа Маха. • Наложение отрицательного градиента давления приводит к существенному (до 2-х раз) снижению коэффициента теплоотдачи и росту коэффициента трения (до 10%) в сравнении с безградиентным течением. • Наложение положительного градиента давления не влияет на коэффициент восстановления температуры. Существенное ускорение при отрицательном градиенте давления, сопровождающееся ламинаризацией, снижает его величину до ламинарных значений. • Пограничный слой реагирует на градиент давления с «запаздыванием»: экстремумы коэффициентов трения и теплоотдачи находится ниже по потоку от максимума параметра ускорения и изменение коэффициентов (относительно безградиентных значений) происходит на всей протяженности области с градиентом давления. При этом значения коэффициентов стремятся к равновесным значениям (при возможности реализации равновесного течения). • Использование дифференциальных моделей турбулентности позволяет учитывать неравновесность пограничных слоев c градиентом давления, однако эти методы требуют дополнительных исследований. • Отмеченное поведение коэффициентов трения и теплоотдачи в пограничном слое с отрицательным градиентом давления приводит к нарушению аналогии Рейнольдса в сторону трения, в то время как положительный градиент давления нарушает аналогию Рейнольдса в сторону теплообмена.