Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ 9
1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ 14
Методы теплометрии и датчики теплового потока 14
Теплометрия с использованием датчиков теплового потока типа «вспомогательной стенки» 15
Датчики теплового потока «продольного типа» 18
Датчики теплового потока «поперечного типа» (градиентные датчики теплового потока) 23
Градуировка датчиков теплового потока 28
Градуировки датчиков «продольного типа» 28
Градуировка градиентных датчиков теплового потока 31
1.6. Постановка задач работы 33
2. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В
ГРАДИЕНТНЫХ ДАТЧИКАХ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА 35
2.1. Экспериментальное исследование динамических характеристик
датчика 35
Влияние толщины датчика на его динамические характеристики 39
Оценка погрешности экспериментов 40
Аппроксимация передаточной функции 40
2.2. Расчет динамических характеристик датчика 42
2.2.1. Расчет характеристик в рамках модели полуограниченного
тела 48
2.2.2. Расчет характеристик по модели составной пластины 50
3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАДИЕНТНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО
ПОТОКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО
ТЕПЛООБМЕНА 58
3.1. Местная теплоотдача при поперечном обтекании
изотермического цилиндра 58
Экспериментальная установка и методика опытов 60
Результаты опытов 66
Цилиндр с искусственной турбулизацией течения в пограничном слое 78
Локальный теплообмен при вынужденной конвекции в сферической лунке 81
Исследование тепловой структуры свободноконвективного пограничного слоя около вертикальной нагретой пластины 90
4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО И СЛОЖНОГО
ТЕПЛООБМЕНА 95
4.1. Измерение радиационных тепловых потоков 95
4.1.1. Оценка параметров и конструкция чувствительного
элемента 95
4.1.2. Экспериментальное исследование чувствительного
элемента 105
4.2. Измерение локального теплового потока в крышку блока
цилиндров дизельного двигателя 110
Состояние вопроса ПО
Теплометрия на стенке камеры сгорания дизельного двигателя 111
4.2.3. Результаты опытов 113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
ВЫВОДЫ 119
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ 121
Приложение 1. Расчет поля температур в анизотропном
термоэлементе методом конечных элементов 128
Приложение 2. Расчет теплофизических свойств градиентного
датчика теплового потока 129
Приложение 3. Программа расчета сигнала датчика с изотропным
«рыхлым» слоем на поверхности 132
Введение к работе
Актуальность темы. В современных исследованиях процессов теплообмена возрастает доля и значение результатов, полученных вычислительными методами, в то время как их верификация отстает как по уровню, так и по количеству работ. Одновременно становится ясным, что компьютерная запись и обработка сигналов различных датчиков (давления, скорости, температуры, теплового потока и пр.) дает весьма широкие возможности, тогда как арсенал датчиков обновляется медленно, а потому все менее соответствует возможностям регистрирующей аппаратуры.
Высокая информативность нестационарной теплометрии делает ее актуальной в самых различных разделах теплотехнического эксперимента. При этом важно использовать, помимо традиционных, и малоизвестные датчики - такие, например, как градиентные датчики теплового потока (ГДТП).
Цель и задачи работы. Предлагается реализовать новый подход к нестационарной теплометрии, использовав в экспериментах ГДТП. При этом необходимо решить следующие основные задачи:
Исследовать динамические характеристики ГДТП, связав их конструкцию и размеры с чувствительностью и инерционностью. Определить вид передаточных функций и частотный предел, в котором возможны измерения.
Изучить возможности ГДТП как при решении известных задач конвективного теплообмена, так и при получении новой информации о нестационарных тепловых потоках: при исследовании локального теплообмена на поверхностях с турбулизаторами, в сферических лунках и т.д.
3. Создать устройства и разработать методику регистрации нестационарных радиационных и радиационно-конвективных тепловых потоков.
Предметом исследования являются, в первую очередь, сами датчики теплового потока, а также методика их градуировки, техника использования в эксперименте, регистрация сигнала, обработка и анализ результатов нестационарной теплометрии.
Методы исследования включают физический эксперимент над ГДТП различных размеров и конструкций, а также теплотехнические эксперименты, в которых ГДТП играют роль измерительного преобразователя. В работе используется математическое моделирование тепловых процессов в ГДТП и в устройствах, созданных на их основе, компьютерная обработка сигнала датчиков и ряд вспомогательных методик, связанных с постановкой экспериментов.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые исследованы динамические характеристики ГДТП. Получены, кроме того, новые данные о параметрах пульсирующего теплового потока на поверхности поперечно обтекаемого цилиндра, о влиянии турбулизаторов на местный и средний коэффициент теплоотдачи. Исследован теплообмен в сферической лунке, выполненной на изотермической пластине. Впервые экспериментально получена зависимость локального теплового потока на стенке камеры сгорания дизельного двигателя от угла поворота коленчатого вала.
Практическая ценность работы состоит в том, что ГДТП позволяют существенно расширить возможности нестационарной теплометрии процессов, протекающих при характерных частотах вплоть до 20 кГц.
В работе показано, что ГДТП надежно и объективно фиксируют практически мгновенные значения теплового потока на сравнительно малых (до 1 мм2) поверхностях в различных условиях опыта.
Самостоятельную ценность имеет также конструкция специального чувствительного элемента, разработанная в ходе работы и описанная в главе 4.
На защиту выносятся:
Результаты исследования динамических характеристик ГДТП: независимость постоянной времени от толщины датчика, вид передаточной функции, модель переходных тепловых процессов в ГДТП.
Данные о локальных и усредненных значениях коэффициентов теплоотдачи при вынужденной конвекции на поперечно обтекаемом изотермическом цилиндре, на цилиндре с турбулизаторами, в сферической лунке, а также при свободной конвекции на вертикальной изотермической пластине. Параметры нестационарности теплового потока, полученные в этих исследованиях: дисперсия и распределение спектра пульсаций плотности теплового потока по частотам, сопоставление пульсаций потока с пульсациями давления. Сведения об интенсификации теплообмена на поперечно обтекаемом цилиндре при различном расположении турбулизаторов. Результаты измерения локальных тепловых потоков на поверхности сферической лунки.
Конструкция, физическая модель, градуировка и результаты исследования чувствительного элемента для регистрации мощного теплового излучения.
Методика и результаты исследования локальных тепловых потоков на стенке камеры сгорания дизельного двигателя, полученные в различных режимах, как функция угла поворота коленчатого вала.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения, выводов, библиографического
списка использованной литературы из 65 источников и трех приложений.