Введение к работе
Актуальность работы. Исследование теплоотдачи в пульсирующих потоках представляет научный и практический интерес. Научный интерес обусловлен недостаточной изученностью механизма турбулентного переноса и закономерностей конвективного теплообмена в нестационарных потоках. Практический интерес связан с широким распространением пульсирующих потоков в различных инженерных системах, применяемых в тепловой и ядерной энергетике, авиационной, ракетной и криогенной технике. При проектировании и анализе работы этих систем ванно знать как под действием колебаний изменяются тепловые процессы, протекающие в них. Кроме того, указанная' проблема имеет непосредственное отношение к изучению возможности интенсификации процесса теплообмена за счет колебаний расхода жидкости во времени.
Проведенные немногочисленные экспериментальные исследования показали, что под действием пульсаций теплоотдача мокет как увеличиваться, так и уменьшаться. Объяснить наблюдаемое в экспериментах качественно различное влияние колебания потока на осредненную теплоотдачу позволяет расчетно-георетическое исследование проблемі. Трудности численного моделирования процесса теплообмена в пульсирующих потоках связаны, правде всего, с необходимостью создания методики расчета турбулентного переноса и процесса перехода ламинарного режима течения в турбулентный в нестационарных условиях. В имеющихся расчетно-теоретических исследованиях не проводилось систематических расчетов теплоотдачи в широком диапазоне изменения режимных параметров. Результаты расчетов не сопоставлялись с экспериментами для подтверждения справедливости применяемой методики. Исследования теплоотдачи при переходном пульсирующем течении отсутствуют.
Цель работы. Создание обоснованной методики расчета нестационарных температурных полей и теплоотдачи при турбулентном и переходном пульсирующем течении хидкости в трубе. Разработка числен-.ного метода решения поставленной задачи. Апробация методики путем сопоставления расчетных данных с имеющимися экспериментальными. Проведение систематических расчетов в широком диапазоне изменения режимных параметров: амплитуд колебаний А, чисел Стокса S, Прандтля Рг и Рейнольдса среднего течения ReQ для ламинарной, турбулентной и переходной областей нестационарного теплообмена с целью выявления основных закономерностей теплообмена в рассматриваемых условиях и определения границ характерных по частот^ колебаний режимов теплоотдачи. Объяснение на основании полученных расчетных данных особенностей
конвективного теплооомена, наблюдаемых в експериментах ігри ламинарном, турбулентном и переходном пульсирующем течении жидкости в труоэ.
Научная новизна. Впервые разработана методика численного моделирования процесса теплообмена при турбулентном и переходном пульсирующем течении жидкости в трубе, которпп угитыввет влияние нестационарности .кш-. лв турбулентный перенос кол>ноства движения и тепла, так и на процесс перехода по периоду колебаний ламинарного режима течения в турбулентный. Методика позволяет проводить расчеты в области частот от квазистационарной до замороженной турбулентности. Разработана разностная схема решения системи нестационарных дифференциальных уравнений конвективного теплообмена совместно с нестационарными, уравнениями турбулентного переноса для случая изменяющегося во времени расхода.
Впервые по единой методике проведено систематическое расчетно-тооретическое исследование) процесса теплообмена при ламинарном, турбулентном и переходном пульсирующем течении жидкости в трубе в широком диапазоне изменения режимных параметров: A, S, Re0, Рг.
Впервые получена расчетным путем частотная зависимость для осред-нешгой за период теплоотдачи, на которой в промежуточной области частот имеется максимум и минимум. Определены границы характерных режимов теплоотдачи.
Впервые получены расчетные данные по мгновенной и осредненной теплоотдаче, ее распределению по длине, амплитудным и фазовым характеристикам, профилям турбулентной вязкости, турбулентного касательного напряжения, турбулентного теплового потока, скорости и температуры для квазистационарного, высокочастотного и промежуточного режимов. Проанализировано влияние A, S, ReQ, Pi* на перечисленные характеристики. Проведено сопоставление влияния гидродинамической неста-шюнарности, вызванной колебаниями расхода во времени, на теплоотдачу и мощность, затрачиваемую на прокачку жидкости через трубу. Проведена систематизация экспериментальных работ, позволившая объяснить сделанные в экспериментах и противоречивые на первый взгляд выводы о влиянии колебаний потока на осредкекпув теплоотдачу.
Практическая ценность. Проведенное расчетно-тееретическое исследование выявило основные закономерности конвективного теплообмена в трех характерных по частото колебаний режимах теплоотдачи: квэзиствшюнэрном, высокочастотном и промежуточном между ними. Определена область частот для заданного значения Re0, в которой происходит увеличение осгодненной теплоотдачи (интенсификация
тешюомена) по сраьнеїшю со стационарным случаем и область час гот, и которой происходит уменьшение осредноиной теплоотдачи аа счет ламп-наризации потока по периоду колебаний.
: Полученные расчетные данные по турбулентным характеристикам, мгновенной и осреднешюи теплоотдаче и результаты проведанного анализа влиянил гидродинамической нестационарности на процесс конвективного теплооомэна могут быть использованы при проектировании, анализе работа и виборе оптимальных режимов работы различных инженерных систем, л том число теплообменлых, а также могут слуміть ориентиром при про бо де ний детальних експериментальних исследования процесса теплообмена в каналах при пульсирующем расходе.'
Разработанная ФОРТРАН-программа позволяет получить расчетный Панине по различим характеристикам теплообмена и пульпирущегп течения (ламінарного, турбулентного и переходного) в широком диапазоне изма-нвния режимных параметров: A, S, Re , Рг.