Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и задачи исследования.. 10
1.1. Процессы аэродинамики и теплообмена при обтекании цилиндра одиночной струей 10
1.2. Процессы аэродинамики и теплообмена при взаимодействии многоструйного потока с цилиндром 23
1.3. Аэродинамика и теплообмен вращающихся тел . 27
1.4. Выводы из литературного обзора и задачи исследования 40
2. Методика исследования аэродинамики и теплообмена и описание экспериментальной установки 43
2.1. Выбор метода исследования 43
2.2. Описание экспериментальных установок 46
2.3. Организация токосъема с вращающегося цилиндра и методика проведения экспериментов 59
3. Процессы аэродинамики и теплообмена при вращении цилиндра в поперечной круглой струе 64
3.1. Качественная картина обтекания цилиндра 64
3.2. Распределение давления по поверхности обтекаемого струйным потоком вращающегося цилиндра 71
3.3. Механизм обтекания вращающегося цилиндра поперечной круглой струей 76
3.4. Процессы теплообмена при вращении цилиндра в поперечной круглой струе 80
4. Процессы теплообмена при вращении цилиндра в многоструйном потоке 90
4.1. Влияние основных факторов на процессы переноса тепла 90
4.2. Математическое описание процессов теплоотдачи 96
5. Практическое применение результатов исследования 107
5.1. Система охлаждения щеточно-коллекторного аппарата вертикального электродвигателя 107
5.2. Оптимизация параметров струйных систем применительно к охлаждению цилиндрического проката 109
Выводы 117
Литература 120
Приложения 132
- Процессы аэродинамики и теплообмена при взаимодействии многоструйного потока с цилиндром
- Организация токосъема с вращающегося цилиндра и методика проведения экспериментов
- Распределение давления по поверхности обтекаемого струйным потоком вращающегося цилиндра
- Математическое описание процессов теплоотдачи
Введение к работе
В программных документах партии и правительства на одиннадцатую пятилетку говорится, что "... проблема рационального использования всех видов топлива, электроэнергии, сокращения их отходов и потерь - чрезвычайно важная. Для решения этих актуальных задач большие возможности открывает улучшение использования производственных мощностей - машин, оборудования, транспортных средств. Сокращение простоев, повышение коэффициентов смежности, создание технологических схем, сберегающих энергию и материалы - вот над чем предстоит сосредоточить усилия".
В свете этих решений большое внимание должно быть уделено созданию и разработке новых эффективных технологий на базе высокоинтенсивных тепловых агрегатов в различных областях народного хозяйства.
Одним из перспективных методов интенсификации процессов теплообмена в ряде тепловых агрегатов является метод струйной обдувки. Как отмечают авторы /21/: "...высокая интенсивность теплообмена при струйном обдуве и относительно небольшая затрата мощности на его осуществление, простота и гибкость управления этим процессом, возможность достижения интенсификации теплопередачи только на отдельных участках поверхности - все это обеспечивает преимущества струйного обдува по отношению к другим способам интенсификации теплообмена в газах".
Закономерности процессов аэродинамики и теплообмена при натекании одно- или многоструйного потока на неподвижные преграды достаточно полно изучены и в литературе имеются конкретные расчетные зависимости и рекомендации применительно к различным техническим приложениям.
В то же время отсутствие достаточных сведений о процессах переноса тепла при взаимодействии струйного потока с вращающимися телами сдерживает создание новых технологических операций и агрегатов. Результаты исследования процессов аэродинамики и теплоотдачи в таких системах позволяют более обоснованно выбирать и разрабатывать промышленные установки, в которых теплообменные поверхности находятся во вращении.
В связи с этим представляется весьма актуальной задача исследования механизма струйного обтекания вращающегося цилиндра. Изучение влияния на аэродинамические характеристики и коэффициент теплоотдачи режимных и геометрических параметров, детальное рассмотрение аэродинамических процессов в области взаимодействия -все это позволит выявить и проанализировать основные факторы, определяющие аэродинамику обтекания и процессы переноса тепла, а также получить расчетные зависимости для процессов теплообмена в таких системах.
Данная работа посвящена исследованию физических закономерностей процессов аэродинамики при натекании осесимметричной струи на вращающийся цилиндр, изучению гидродинамических факторов, определяющих процессы в области взаимодействия, исследованию конвективной теплоотдачи цилиндра при его вращении в одно- и многоструйном потоках.
На основании экспериментальных исследований получены визуальные картины обтекания вращающегося цилиндра поперечной круглой струей и эпюры давлений на поверхности преграды, что позволило выяснить механизм обтекания и влияние гидродинамических параметров на динамические и тепловые характеристики области взаимодействия. Получены расчетные зависимости для коэффициента теплоотдачи вращающегося цилиндра при натекании на него поперечной струи. Исследованы процессы теплообмена при обтекании вращающегося цилиндра системой струй, проанализировано влияние режимных и геометрических параметров струе образующих систем на коэффициент теплообмена.
Работа выполнена на кафедре теоретической теплотехники Уральского политехнического института и является составной частью научно-исследовательской работы по важнейшей госбюджетной теме Л 1568 "Исследование гидродинамики и теплообмена струй при различных условиях и воздействиях", осуществляемой по координационному плану АН СССР (раздел "Теплофизика").
Автор выражает благодарность своему научному руководителю Н.И.Сыромятникову, а также сотрудникам кафедры теоретической теплотехники за доброжелательное отношение к работе. Автор особо признателен доценту Васановой Л .К. за постоянную помощь на всех этапах исследования, за ее критические замечания и поддержку в работе. Автор благодарен доценту Бадеру В.И. за плодотворные дискуссии по многим вопросам работы.
Процессы аэродинамики и теплообмена при взаимодействии многоструйного потока с цилиндром
Сложность процессов, а также большое количество факторов, определяющих аэродинамику и теплообмен при многосгруйном обтекании, не позволяют четко сформулировать задачу в математическом виде, а следовательно, и корректно исследовать процессы переноса аналитическим путем. Поэтому основным методом является экспериментальное изучение.
Рассмотрим основные результаты работ : по исследованию аэродинамики и теплообмену цилиндра, обдуваемого системой струй.
Закономерности тепловых процессов детально изучались в работе /79/. Схема организации струйного потока изображена на рисунке 1.4. Исследования проводились с двумя полуцилиндрическими теп-лообменными преградами. Распределительная решетка, состоящая также из двух одинаковых частей, располагалась на расстояниях 1 30 калибров струи. Живое сечение решетки изменялось в пределах 2 6%, скорость струй - 10 50 м/с Ери исполъзовании данной геометрии автор отмечает наличие взаимодействия между струями, что выражается в изменении локальных коэффициентов по окружности цилиндрической поверхности. При "Уі 21 поток уже не делится на отдельные струи, а получается однородным, другим важным заключением данного исследования является вывод о максимальной интенсивности процессов теплоотдачи при живом сечении решетки, равном 4$. В то же время наиболее экономичным режимом, с точки зрения затрат на организацию движения теплоносителя через систему отверстий, является режим с использованием решетки с Р = 0,75$.
Результаты работы /95/ противоречат исследованиям /79/, что показано в обсуждении /80/. В исследовании /95/ отверстия располагались в вершинах равносторонних треугольников. Такая геометрия позволяет максимально снизить влияние сносящего потока на ударное воздействие струй и, следовательно, обеспечивает максимальные значения оС при остальных постоянных параметрах. Расстояние между радами отверстий в работе /79/ больше, чем между отверстиями. В то же время оС значительно выше, чем в работе /95/ Заметим, что исследования локальных коэффициентов теплоотдачи /79/ также противоречат данным по натеканию одиночной струи, так как сС в первом случае выше, несмотря на влияние сносящего потока.
В работах /17,69/ исследовался теплообмен при обтекании цилиндрических поверхностей системой осесимметричных струй. Эксперименты с цилиндрическими преградами проводились в следующих диапазонах изменения основных параметров: Wd = 5+10; Res = 4,4-Ю4 2.I05; % = 15+20; % = 1,5+2,67. Круглые отверстия располагались в шахматном порядке с относительным шагом 7,5+10, струи взаимодействовали с преградой по нормали. Для определения коэффициентов теплоотдачи использовался нестационарный метод оС -калориметра. Анализ опытных данных показал, что коэффициенты теплоотдачи на 10+15$ меньше, чем значения сС для случая обтекания плоской поверхности, которые рассчитываются по следующей экспериментальной зависимости
За определяющий размер в I.II принят шаг отверстий S , теплофизические свойства газа вычисляются при Tm= (Tc + Tj )»0,5. Результаты работ /17,69/ сложно использовать в инженерных расчетах, так как зависимость I.II получена для случая взаимодействия системы струй с плоской преградой.
При исследовании теплообмена вогнутых поверхностей в работе /46/ применялся один ряд круглых отверстий. Анализ опытных данных производился пересчетом линейных размеров на эквивалентные размеры плоской струи. Коэффициент теплоотдачи определялся нестационарным методом. В работе сделан вывод, что расстояние между соплом и поверхностью теплообмена, соответствующее максимальному коэффициенту теплоотдачи, зависит от диаметра одного отверстия больше, чем от ширины эквивалентной щели, введенной для ряда отверстий.
Одним из достоинств многоструйной обдувки тел является возможность совмещения в одном технологическом процессе ряда операций. Например, система струй широко применяется для термообработки деталей совместно с созданием газовой опоры под телом, что исключает контакт между ним и элементами решетки. Работы /5-7/ посвящены решению ряда задач применительно к данному случаю струйного обдува. Авторами исследованы закономерности процессов теплообмена при взаимодействии системы круглых струй воздуха, образованных полуцилиндрической решеткой, с цилиндрическими преградами. Процессы теплообмена в данном случае идентичны случаю натекания струйного потока на цилиндр, жестко закрепленный над решеткой. Условия проведения экспериментов были следующими: S/d = 3,0 8,8; к = 1,0 5,0; Re (3,7 I8)-I03; %)p=Q,78+1,0.
Организация токосъема с вращающегося цилиндра и методика проведения экспериментов
Большое методическое значение имеет организация передачи электрического сигнала с вращающегося цилиндра на регистрирующий прибор. Остановимся на этом вопросе подробнее, так как погрешность определения искомых величин во многом зависит от выбранного способа передачи сигнала.
Измерение термо э.д.с. или тензосопротивления вращающихся тел можно производить двумя основными способами: безэлектрокон-тактным и контактным /31/.
Безэлектроконтактный метод заключается в передаче информации на неподвижный регистрирующий прибор с помощью электромагнитных или электростатических полей. Связь между датчиком и аппаратурой осуществляется либо индукционным путем /99,113/, либо емкостным /98/. Не останавливаясь подробно на технических конструкциях токосъемников, отметим, что техническая реализация данного метода связана со значительными трудностями, так как для создания электромагнитных полей необходимо использовать повышенные несущие частоты. При этом на точность измерений начинают влиять паразитные емкости и индуктивность датчиков и подводящих линии, что приводит к значительным искажениям сигнала. В связи с этим данный метод передачи сигнала нашел ограниченное применение и используется только в ряде конкретных случаев /18,99,113/.
Контактные методы измерения реализованы в промышленных и лабораторных испытаниях гораздо шире, что объясняется большим диапазоном применения токосъемников данного типа. Основной сложностью при данном методе является снижение коммутационных помех. Как известно /31/, при контакте между вращающимся и неподвижным телами возникает контактная э.д.с. Ек , которая по оценке /59, 60/ может достигать величины + 20 30 mV . Сопротивление контакта RK также изменяется в зависимости от многих факторов и может колебаться в пределах от 10 до 100 Ом /29,30/. Приведенные значения RK и Ек соизмеримы с измеряемыми величинами, что вносит большие искажения в измеряемые параметры. Поэтому основной методической задачей является правильный выбор типа контактного токосъемника, в котором Ек и к гораздо меньше измеряемых величин.
Контактные токосъемники по принципу соединения скользящих пар можно условно разделить на три группы: щеточные, игольчатые и ртутные токосъемники. В щеточных токосъемниках используются скользящие контакты. Конструкции такого типа токосъемников очень разнообразны. В /31/ отмечается, что наиболее эффективными контактными парами являются серебро-серебро. Кроме того, возможно применение латунных и медных колец с серебрографитовыми, медно- графитовыми и углеграфитоными щетками. Но даже использование серебра в контактных парах не позволяет полностью избавиться от переходных сопротивлений в зоне контакта. Такой же недостаток присущ и игольчатым токосъемникам, в которых контакт осуществляется посредством иглы, подведенной к торпу вращаемого цилиндра.
Хорошие контактные характеристики можно получить при использовании ртутных токосъемников, в которых электрическая связь между вращающейся и неподвижной токосъемными частями осуществляется с помощью ртути.
При небольших скоростях вращения (не более 30-40 об/мин) применяются открытые желобковые кольцевые ртутные токосъемники. С увеличением числа оборотов происходит разбрызгивание ртути и изменение контактного сопротивления, которое носит случайный характер. В данном случае нашли применение камерно-шайбовые токосъемники (до 1500 об/мин) или токосъемники звеньевого типа (до 15000 об/мин) /10,31/. К достоинствам такого типа токосъемных устройств надо отнести возможность передачи нескольких электрических сигналов одновременно.
Обзор литературных данных показал, что для измерения тензо-сопротивления и термо э.д.с. при вращении цилиндра с минимальными погрешностями необходимо использовать ртутный токосъемник звеньевого типа, который и был применен в экспериментах.
Порядок проведения опытов по аэродинамике был следующим: микрометром устанавливалось определенное расстояние между соплом и неподвижным цилиндром, собиралась измерительная схема; лабораторным автотрансформатором, питающим электродвигатель, устанавливалась небольшая скорость вращения цилиндра (3 4 об/с) и балансировался по сопротивлению и емкости тензомост. Включалась газодувка, по перепаду давления на диафрагме задавался необходимый расход, устанавливалась заданная скорость вращения цилиндра.
Через 3-5 минут включался лентопротяжный механизм осциллографа и на фотобумаге УФ-67 регистрировался шлейф. После проявления фотобумаги полученная осциллограмма расшифровывалась согласно тарировочной зависимости. При изменении режимных параметров порядок проведения опытов не менялся.
Опыты по визуализации области взаимодействия выполнялись в следующей последовательности. Включался источник питания ртутной лампы теневого прибора ИАП-45І. После стабилизации светового потока открывался газовый тракт и устанавливалась заданная скорость струи углекислого газа. Включался электродвигатель. Производилась настройка теневой части прибора, при которой область течения отражалась как характерная теневая картина. Производилось фотографирование области течения. Время экспозиции подбиралось опытным путем.
Эксперименты по теплообмену проводились в стационарном режиме. Предварительно цилиндр прогревался при 3-4 об/с, затем устанавливался режим обдува струйным потоком и заданная скорость вращения. В таком режиме вращающийся цилиндр обдувался до достижения стационарного состояния, после чего производилось поочередное подключение термопар к потенциометру и снимались показания термо э.д.с.
Распределение давления по поверхности обтекаемого струйным потоком вращающегося цилиндра
Механизм обтекания цилиндра может быть более полно проанализирован при изучении полей давления на поверхности вращающегося тела при его обтекании струйным потоком.
Исследования по распределению давления проводились на цилиндре диаметром 60 мм, который вынужденно вращался со скоростью до 30 об/с. В цилиндр был вмонтирован тензометрический датчик, камера давления которого дренажным отверстием соединялась с поверхностью. В экспериментах использовались струеобразующие сопла диаметром 9,0; 6,5; 4,0 мм. Расстояние между соплом и преградой изменялось до 5 калибров струи. Опытные данные обрабатывались в виде зависимости безразмерного коэффициента давления Р от угла J или ft , введенных в 3.1.
Примеры получения зависимостей в различных режимах обтекания приведены на рис.3.5 а,б. Анализ графиков показывает, что распределение давления в случае вращения обдуваемого поперечной струей воздуха цилиндра значительно отличается от распределения давления при обтекании неподвижного цилиндра потенциальным потоком /84/.
При небольших значениях числа оборотов (П 4 12 15 об/с) эпюры давлений на поверхности вращающегося цилиндра строго симметричны относительно точки удара струи (рис.3.5 а,б; кривые I), что отмечено во всех диапазонах изменения скорости струйного потока, диаметра сопла и расстояния до преграды. Полученные результаты качественно совпадают с распределением давления при взаимодействии плоской струи с неподвижной цилиндрической преградой, приведенными в работе /III/.
С увеличением числа оборотов цилиндра, зависимость P=-f(XW становится несимметричной относительно критической точки. Несимметричность эпюр давления начинает сказываться при п 12 об/с и выражается в возрастании давления на стороне цилиндра, движущейся спутно с пристенным струйным течением и уменьшении давления при движении пристенной струи навстречу вращению цилиндра (кривые 2 на рис.3.5 а,б). Несимметричность зависимости P=f(T,p) проявляется до значения углов J jb 100-110. В кормовой области (Т, jb 120) пристенные струи вырождаются и значения Р. примерно одинаковы для равных значений углов Проиллюстрируем выше сказанное числовыми значениями экспериментальных данных. Так, например, при вращении цилиндра С Л = 16 об/с) в струйном потоке ( Vj, = 10,2 м/с) в случае спут-ного направления вращения и внешнего потока Р= 0 при в;=40о, и при встречном движении Р = 0 при У = 20. Неравенство значений Т и jb свидетельствует о несимметричном распределении давления. С уменьшением числа оборотов до 5 об/с при том же значении скорости струйного потока зависимость Р= J(T, Jb) является симметричной и Р = 0 при равных значениях углов Т и f (T jb i8).
Опытные данные свидетельствуют, что с уменьшением диаметра струеобразующего сопла при прочих равных условиях С V) = const ; К = const ) несимметричность в распределении давления по поверхности преграды начинает проявляться при меньших значениях числа оборотов цилиндра. Этот факт иллюстрирует рис.3.6. Так например, при обдуве струей диаметром 9 мм при IX = 12 об/с ветви кривой
Р= (Т, ft) симметричны относительно критической точки ( Ї = = = о). При уменьшении диаметра струи симметричность нарушается и при использовании в экспериментах самого маленького по диаметру струеобразующего сопла, ветви кривой давления являются наиболее несимметричными (кривая 3 на рис.3.6).
Отметим характерную особенность зависимости P = -J(T,p) : в точках, соответствующих отрыву потока (спутного или встречного), который был зафиксирован при анализе теневых фотографий, не выявлено каких-либо скачков давления. Такое поведение зависимости
Р= (У, jb) в отрывных областях объясняется сложным характером взаимодействия между пограничным слоем и пристенным течением, в результате которого и происходит физически значимое отделение внешнего течения от пограничного слоя. Механизм данного явления рассмотрен ниже.
Ряд опытов проводился при смещении струи относительно дренажного отверстия вдоль образующей цилиндра. В этих опытах смещение характеризуется параметром Vd , который изменялся от О до 3. Эксперименты при смещенном положении струи позволили определить распределение давления по окружности пилиндра при растекании струйного потока по поверхности преграды, диапазоны изменения остальных параметров оставались прежними.
Рис.3.7 иллюстрирует распределение давления на поверхности цилиндра при растекании струи вдоль образующей. С увеличением относительного расстояния Vd давление в критической точке падает, а в кормовой области повышается. При растекании по поверхности цилиндра скорость струйного потока в направлении оси цилиндра уменьшается, причем с увеличением числа оборотов торможение пристенного течения, распространяющегося вдоль преграды, происходит интенсивнее, и процесс выравнивания давления по всей поверхности пилиндра происходит быстрее и на меньшем расстоянии от критической точки. Анализ кривых давления показывает, что зависимость Р=ДТ,Ы с удалением от точки удара становится симметричной.
Математическое описание процессов теплоотдачи
В результате проведенных экспериментов установлено, что высота подъема цилиндра над струйной решеткой оказывает значительное влияние на интенсивность процессов тешюпереноса. На рис.4.4 представлены опытные данные, иллюстрирующие зависимость oC=(h) . Характер кривых свидетельствует о монотонном падении среднего коэффициента теплоотдачи с увеличением расстояния между распределительной решеткой и цилиндром. Это связано с изменением скорости струй в области натекания. При увеличении rv скорость струй падает вследствие подсоса воздуха из межструйного пространства. При этом происходит ослабление ударного воздействия системы струй на тешюобменную поверхность и, соответственно, снижение интенсивности теплообменных процессов. Обработка опытных данных также показывает, что при постоянном диаметре перфорированной решетки интенсивность процессов теплообмена зависит от диаметра вращающегося цилиндра. Кривые зависимостей оС = -?( ), построенные на основании экспериментальных данных, приведены на рис.4.5. Анализ экспериментального материала свидетельствует, что теплообменные процессы протекают более интенсивно на цилиндрах с меньшим диаметром при прочих равных условиях. С увеличением кривизны теплообменной поверхности уменьшается толщина пограничного слоя на цилиндре, перенос теплоты от стенки происходит интенсивней, соответственно, (X возрастает. Кроме того, надо учитывать, что поверхность области взаимодействия струйного потока с преградой больше на цилиндре Я) = =26,5 мм, чем на цилиндре Ю = 32 мм. Поэтому оС на поверхности цилиндра меньшего диаметра больше. 4.2. Математическое описание процессов теплоотдачи Для более полного анализа теплофизических процессов, происходящих при вращении цилиндра в многоструйном пот оке, а также для выявводилось по специально составленной программе на БЭСМ-6, Программа реализована на языке АЛГОЛ, ее блок-схема приведена на рис.4,6. Расчет по программе включал следующие основные этапы: - вычисление коэффициентов регрессии методом наименьших квадратов; - статистический анализ полученного уравнения.
Статистический анализ позволяет проверить адекватность математической модели, оценить значимость каждого коэффициента регрессии и выбрать модель с наименьшим числом слагаемых. Проверка адекватности принятой полиномиальной модели производилась по критерию Фишера /2,28,32/ Дисперсия адекватности (остаточная дисперсия) оценивалась из выражения дисперсия относительного среднего значения находилась из выражения чение критерия Nu і , предсказанное уравнением регрессии, П - количество опытов. Для выбора модели с наименьшим числом слагаемых необходимо исключить незначимые члены полинома. Значимость коэффициентов регрессии определялась по критерию Стьюдента /2/ где с ь1 - диагональный элемент обратной матрицы нормальных уравнений. Величина Ь имеет распределение Стьюдента с ft -К степенями свободы. При повариантном расчете согласно реализованной программе исключается член полинома 4.2, для которого величина "Ь - наименьшая. Расчет повторяется, начиная с составления нормальных уравнений. Исключение членов полинома прекращается, если остаточ- л- 2. ная дисперсия Оа(, для очередного варианта уравнения регрессии возросла. После вычисления коэффициентов регрессии и проведения дисперсионного анализа уравнение (4.2) при переходе к обычной форме принимает следующий вид: Опытные данные аппроксимируются уравнением (4.8) со среднеквадратичной погрешностью 10,1$. За определяющие параметры в полученной зависимости приняты диаметр отверстий, скорость и температура струй на выходе из сопел распределительной решетки, а также радиус вращающегося цилиндра. Исследуем уравнение (4.8) на существование экстремума. Необходимым условием для этого является обращение в нуль частных производных первого порядка по всем факторам. Координаты точек, "подозрительных" по экстремуму, можно найти решив систему уравнений
