Газодинамика и теплообмен в диффузорах с проницаемыми стенками Набатов Геннадий Владимирович

Содержание к диссертации

Стр.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 8

Глава I. ОБЗОР ЖТЕРАТУРЫ ПО ТРЕНИЮ И ТЕПЛООБМЕНУ
В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ НА ПРО
НИЦАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОМ
ГРАДИЕНТЕ ДАВЛЕНИЯ 12

1. Теоретические метода решения и экспериментальные данные по трению 12

2. Теоретические и экспериментальные данные

по теплообмену 32

1.3. Выводы и постановка задачи исследования ... 36

Глава П. ЗАКОНЫ ТРЕНИЯ И ТЕШООБМЕНА НА ПРОНИЦАЕ
МЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ГРАДИЕН
ТОМ ДАВЛЕНИЯ 39

3. Изотермические условия течения 39

4. Неизотермические условия течения 51

5. Относительный закон теплообмена 59

Глава Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ ВДУВЕ ГАЗА НА ПРОНИЦАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ .... 64

3.1. Экспериментальная установка 64

6. Описание установки 64

7. Система измерений 67

8. Методика проведения экспериментов 68

-3.-

3.2. Результаты и анализ опытных данных 73

9. Тарировочные измерения 73

10. Измерение трения, профилей скорости и критических параметров оттеснения при наличии положительного градиента давления и вдува

газа на стенке 86

3.2.3. Оценка погрешностей измерения основных

величин 91

Глава ІУ. ИССЛЩОВАШЕ ГАЗОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА
В РАСШИРЯЮЩЕМСЯ КАНАЛЕ С ПОДВОДОМ ГАЗА
НА СТЕНКЕ 96

4.1. Экспериментальная установка 96

11. Описание установки 96

12. Система измерений 99

13. Методика проведения экспериментов 100

14. Методика обработки и результаты опытных

данных 102

4.1.5. Оценка погрешностей измерения 115

Глава У. ГАЗОДИНАМИКА К ТЕПЛООБМЕН В ДИФФУЗОРЕ

.' 118

5.1. Методика расчета газодинамики и теплообме
на в проницаемом диффузоре со вдувом газа . . цд

5.2. Результаты расчетов 127

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 138

ЖТЕРАТУРА 140

ПРИЛОЖЕНИЕ 153

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

X, У - координаты, направленные соответственно вдоль поверхности вниз по течению и по нормали к ней,

относительное продольное расстояние,

характерная длина тела,

безразмерные расстояния от стенки,

продольная и поперечная составляющие скорости,

безразмерная скорость,

V/r*\l^%r - скорость трения,

У- -^р.— - безразмерная скорость,

~JL*!L— безразмерная координата,

р - давление,

f - плотность,

t - длина пу*№ смешения,

С =-д*— - относительная длина пути смешения,

t - касательное напряжение,

аг ^Г

" ^ст " ^безР^азмеРН^е касательное напряжение в рассматриваемых условиях,

%>-~$г-_— - безразмерное-касательное напряжение в стандартных условиях,

_r-fc

удельный тепловой поток,

безразмерный тепловой поток в рассматриваемых условиях,

'^Щ~ — Q О --:---

f~ & " безразмерный тепловой поток в стандартных условиях,

L - удельная энтальпия.

L_t - полная энтальпия,

JU - коэффициент динамической вязкости,

\) - коэффициент кинематической вязкости,
/. - коэффициент теплопроводности,

XX XX

толщина теплового пограничного слоя,

толщина вытеснения,

толщина потери импульса,

толщина потери энергии,

0^е - коэффициент трения в рассматриваемых условиях, с*о - коэффициент трения в стандартных условиях,

Н⁼-*х*— - формпараметр,

іст^аЯг'Уег - массовая скорость через поверхность,

іст-\р % - относительная массовая скорость через поверхность,

cr~fo~ ~ параметр проницаемости,

Ь,-}сг ~с7~- параметр проницаемости,

р ^т -/

fy'^Tt—- тепловой параметр проницаемости,

Ь-и-гг - тепловой параметр проницаемости,

&*Ц^ЩШ\- параметр проницаемости, Xf-%ц, - формпараметр градиента давления,

А⁼~ CfJ^fc~ ФР^мпаР^аметР градиента давления,

и₀ с/< " формпараметр градиента давления, V^pvL* - относительный коэффициент трения, УМЩ **- относительный коэффициент теплообмена,

- б -

^'7**'%"^ ~ Ф^актры неизотермичности,

i< - энтальпия вдуваемого газа,

т - температура, О* - изобарная теплоемкость,

J> - коэффициент, учитывающий пульсации плотностей, р_сг~^гр__ турбулентный критерий Прандтля,

Pz~^f^— критерий Прандтля,

Уи - критерий Нуссельта, Ре - критерий Пекле,

Ке.-—т/_а—- критерии Рейнольдса, построенный по толщине потери импульса,

Pef ⁰jf_o * - критерий Рейнольдса, построенный по толщине потери энергии,

Ас~ jf₀ - критерий Рейнольдса, построенный по характерной длине тела,

^'ЛШІ'і У критерий Стентона в рассматриваемых условиях.

, и M^z ~d~ - число Маха,

d - скорость звука,

^е~\) Jy ~ локальное число Рейнольдса,

Р_е ~ЛМХ _ критерий Рейнольдса, построенный по расстоянию * J*o _{от ПЄ}р_Єд_НЄй кромки пластины,

If - безразмерная энтальпия,

/? - показатель степени в профиле скорости.

Индексы ст - параметры на стенке,

О - параметры на внешней границе пограничного слоя или "стандартные условия",

⁰⁰ - параметры при Re.-* «*»

/ - параметры вдуваемого газа,

/

I - параметры на границе вязкого подслоя,

кр - критические параметры,

кр₀ - критические параметры изотермического пограничного слоя в отсутствии градиента давления,

кр * - критические параметры изотермического пограничного слоя с градиентом давления,

кр^ - критические параметры неизотермического погранич-¹ ' ного слоя с градиентом давления,

крс* - критические параметры при е->

GO

Введение к работе

^Ie Актуальность работы. Одним из наиболее эффективных методов охлаждения поверхностей является подвод охлаждающего газа через пористые или перфорированные стенки. Такой способ тепловой защиты поверхностей от больших тепловых потоков используется в камерах сгорания, лопатках газовых турбин, соплах ЖРД. Перспективным является использование вдува газа через проницаемые стенки или щели в проточных каналах МГД установок. Применительно к МГД генераторам вдувом газа возможно не только уменьшить тепловые потери, но и устранить взаимодействие ионизирующейся присадки с материалом стенки, а вдувом реагирующего газа уменьшить химическую эрозию поверхностей.

В большинстве реальных случаев развитие турбулентного пограничного слоя на проницаемых поверхностях происходит в сложных газодинамических условиях, когда существуют продольные, градиенты давления и отличие температуры вдуваемого газа от температуры основного потока. При определении необходимого для охлаждения проницаемой поверхности количества газа в этих условиях важно иметь надежные экспериментальные данные и методы расчета трения и теплообмена.

Обзор выполненных к настоящему времени экспериментальных и теоретических работ по изучению данной задачи показал, что в литературе недостаточно исследовано влияние положительного градиента давления на законы трения и теплообмена на проницаемых поверхностях. Имеющиеся опытные данные по влиянию параметра вдува на критерии отрыва пограничного слоя существенно различаются даже в изотермических условиях. Отсутствуют опытные данные по теплообмену на проницаемых поверхностях при наличии вдува - 9 -и положительного градиента давления в условиях значительной неизотермичности потока ( V ^ 0,4). Такая ситуация не позволяет надежно использовать существующие методы расчета течения в реальных конструкциях, работающих в сложных газодинамических и тепловых условиях.

2.. Цель работы заключается в проведении экспериментального и теоретического исследования турбулентного пограничного слоя в сложных газодинамических условиях: при наличии вдува, положительного градиента давления в потоке, существенной неизотермичности. Конкретными задачами, которые должны быть решены для достижения поставленной цели, являются: экспериментальное исследование характеристик изотермического турбулентного пограничного слоя со вдувом и положительным градиентом давления: измерение коэффициентов трения, профилей скоростей и критических параметров проницаемости в этих условиях на пористых и перфорированных поверхностях; экспериментальное исследование теплообмена в расширяющемся канале с подводом массы через проницаемые стенки в условиях существенной неизотермичности потока ( */i ^ 0,15); распространение теории Кутателадзе С.С, Леонтьева А.И. на конечные числа Рейнольдса при расчете трения и теплообмена на проницаемых поверхностях. разработка методики расчета газодинамики и теплообмена в диффузорах с проницаемыми стенками.

3. Научная новизна. Впервые для изотермического турбулентного газового потока проведено экспериментальное исследование влияния формпараметра градиента давления на критический параметр вдува в широком диапазоне изменения этих параметров; - измерены относительные коэффициенты трения и профили скорости в изотермическом газовом потоке со вдувом и положи тельным градиентом давления; - впервые получены опытные данные по теплообмену на прони цаемой поверхности в расширяющемся канале с подводом газа на сменке в условиях существенной неизотермичности потока (У, ^

0,15); асимптотическая теория Кутателадзе С.С, Леонтьева А.И. распространена на конечные числа Рейнольдса. В частности, получены соотношения для расчета критических параметров проницаемости в зависимости от фактора неизотермичности, формпараметра градиента давления, числа Рейнольдса; в относительном законе трения впервые предложено учитывать изменение критического параметра вдува от величины положительного градиента давления; предложена методика расчета трения и теплообмена в проницаемом диффузоре со вдувом газа на стенке.

4. Автор защищает: - опытные данные по влиянию формпара метра градиента давления на критический параметр проницаемости в изотермическом газовом потоке; обобщение данных проведенного исследования и имеющихся в литературе по коэффициентам трения в изотермическом турбулентном потоке со вдувом газа на стенке; опытные данные по теплообмену в неизотермическом диффузоре с проницаемыми стенками; зависимость критического параметра вдува от формпараметра градиента давления в изотермических условиях; методику расчета течения в диффузоре со вдувом газа на стенке.

5. Практическая ценность состоит в том, что на основе полу ченных опытных данных, а также данных других авторов разрабо тана методика расчета газодинамики, трения и теплообмена в проницаемом расширяющемся канале, которая используется при расчете МГД установок и может быть использована при расчете проточных элементов различных энергетических установок.

6. Апробация. Материалы диссертационной работы докладыва лись на всесоюзном семинаре по теплотехническим основам методов прямого преобразования теплоты в электрическую энергию (г. Киев, май,1983г.) и на юбилейной научной конференции ЙВТАН (г. Моск ва, апрель 1983 г.).

7. Дубликация. Материалы диссертации отражены в трех статьях и в пяти научно-исследовательских отчетах ШТАН. Дис сертация изложена на 95 страницах основного машинописного текста, содержит 49 рисунков, список литературы - 119 наимено ваний, приложение.

Автор благодарит проф., д.т.н. Леонтьева A.M. и с.н.с, к.т.н. Пузача В.Г. за руководство работой. Ермолаева И.К., Козюкова Е.А., Шикова В.К. за помощь, оказанную в работе.

Похожие диссертации на Газодинамика и теплообмен в диффузорах с проницаемыми стенками

Математическая модель процессов газодинамики и теплообмена во впускной и выпускной системах ДВС Машкур Махмуд А.

Исследование газодинамики и конвективного теплообмена в пламенных нагревательных печахКиселев Евгений Владимирович

Теплообмен при ламинарном течении вязкой жидкости в теплообменных устройствах типа "труба в трубе" с вращающейся поверхностью "конфузор-диффузор" Пантелеева Лейсан Ренатовна

Теплообмен и газодинамика в высокочастотном индукционном и дуговом разрядах при атмосферном давленииГерасимов Александр Викторович

Газодинамика и теплообмен при соударении прямоточных газовых струйХудяков, Павел Юрьевич

Пространственная газодинамика и теплообмен в предсопловом объеме ракетных двигателей твердого топливаЧернова, Алена Алексеевна

Газодинамика и теплообмен в выпускном трубопроводе поршневого ДВСГригорьев Никита Игоревич

Газодинамика и теплообмен во впускном трубопроводе при наддуве поршневого ДВСШестаков, Дмитрий Сергеевич