Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Аналитический обзор 16
1.1. Функции ракетных двигателей и их отличительные особенности 16
1.1.1. Ракетный и реактивный двигатель 16
1.1.2. Запуск РД 19
1.1.3. Назначение РДМТ. Особенности ЖРДМТ 21
1.1.3.1. Особенности рабочих процессов ЖРДМТ 23
1.1.4. Расчет параметров РД 26
1.1.5. Динамические характеристики РД 30
1.2. Теоретические и экспериментальное исследование влияния тепловой и динамической нестационарности на трение и теплоотдачу 31
1.3. Математическое моделирование нестационарных турбулентных течений 48
1.4. Трение и теплоотдача в градиентных ускоренных течениях 62
1.5. Диагностика нестационарных процессов 76
1.6. Выводы по обзору литературы 81
ГЛАВА 2. Математическая модель нестационарного неизотермического турбулентного течения несжимаемого газа в осесимметричных каналах .
2.1. Краевые условия. Основные уравнения. Замыкающие соотношения 85
2.1.1. Краевые условия 85
2.1.2. Основные уравнения 87
2.2. Закон трения, профили скоростей, интегральные характеристики нестационарного турбулентного пограничного слоя в неизотермических условиях 91
2.3. Закон теплоотдачи, тепловые и интегральные характеристики турбулентного пограничного слоя 99
2.4. Параметры трения и теплоотдачи 105
ГЛАВА 3. Численное исследование нестационарного неизотермического течения несжимаемого газа в условиях внутренней задачи 108
3.1. Нестационарное неизотермическое течение в конфузоре с предвключенным цилиндрическим участком 108
3.2. Влияние фактора неизотермичности в нестационарных условиях 117
3.3. Влияние отрицательного продольного градиента давления в стационарных изотермических течениях 127
3.4. Влияние динамической нестационарности и неизотермичности на трение и теплоотдачу в условиях отрицательного продольного градиента давления 133
ГЛАВА 4. Экспериментальная установка и проведение опытов 143
4.1. Описание экспериментальной установки 143
4.2. Опытный участок 148
4.3. Измерительно-регистрирующая аппаратура 151
4.4. Проведение экспериментальных исследований 153
4.4.1. Предварительные отладочные экспериментальные исследования 153
4.4.2. Исследование динамических характеристик преобразователей температуры и давления 154
4.4.3. Тарировка датчиков трения «трубка выступ» 157
4.4.4. Методика проведения основного эксперимента 160
4.5. Оценка точности результатов эксперимента 161
4.6. Характеристика эксперимента 167
4.7. Методика обработки опытных данных 173
ГЛАВА 5. Анализ результатов экспериментальных исследований трения и теплоотдачи в неизотермическом нестационарном пограничном слое 184
5.1. Результаты экспериментальных исследований по трению 184
5.1.1. Исследования при изменении температуры потока (Г0 =
var) 184
5.1.2. Исследования при постоянстве температуры потока (Г0 =
const) 196
5.2. Результаты экспериментальных исследований по теплоотдаче... 207
5.2.1. Исследования при изменении температуры потока (Г0 = var) 207
5.2.2. Исследования при постоянстве температуры потока (То = const) 224
ГЛАВА 6. Границы применения математической модели нестационарного неизотермического течения несжимаемого газа в осесимметричных каналах : 239
6.1. Определение границ применения математической модели 239
Основные результаты и выводы 248
Литература
- Теоретические и экспериментальное исследование влияния тепловой и динамической нестационарности на трение и теплоотдачу
- Закон трения, профили скоростей, интегральные характеристики нестационарного турбулентного пограничного слоя в неизотермических условиях
- Влияние фактора неизотермичности в нестационарных условиях
- Предварительные отладочные экспериментальные исследования
Введение к работе
Актуальность работы. Физика горения и взрыва - раздел химической физики, касающийся исследований быстропротекающих химических и физико-химических превращений веществ и систем в процессах термического разложения, горения, взрыва, детонации. При рассмотрении процесса горения одним из основных параметров его характеризующих является скорость распространения пламени. Технологические процессы, параметры в которых изменяются во времени называют нестационарными. Нестационарности как фактору, характеризующему технологический процесс, физиками различных отраслей науки и техники уделяется всё большее внимание. Среди нестационарных процессов, в которых параметры изменяются по апериодическому закону, следует выделить режимы пуско-останова оборудования, маневровые режимы, которые по сути своей являются процессами горения в устройствах и аппаратах для производства энергии либо работы. Перед розжигом в технологический аппарат организуется подача рабочего тела (газ или жидкость), характеризующегося гидрогазодинамикой потока, на течение которого и накладывается быстротечный процесс, сопровождаемый нестационарностью, температурной неоднородностью, продольным градиентом давления и т. д.
Нестационарность приводит к существенному отклонению параметров течения и теплообмена и может существенно изменить протекание динамических, тепловых, массообменных и химических процессов. Не учет таких возмущающих факторов в ряде случаев приводит к существенным ошибкам при конструировании, выборе режимов функционирования и разработке систем контроля и автоматического регулирования. Энергетические установки содержат в своей конструкции большое количество осесимметричных каналов различной длины и конфигурации, представляющие собой подводящие и отводящие трубопроводы, сопловые блоки и жаровые патрубки, камеры сгорания различных двигателей,
проточные элементы ГТУ, компрессоров и т. п. Работа названных устройств протекает в сложных термогазодинамических условиях, обусловленных наличием различных возмущающих факторов, переменностью во времени тепловых и кинематических параметров, взаимосвязанных условиями технологического процесса. Знание механизма протекания нестационарных процессов, умение надежно прогнозировать структуру, рассчитывать гидравлические потери и теплоотдачу необходимы как при проектировании энергетических установок, так и при разработке надежных систем контроля и автоматического управления.
Указанные обстоятельства определяют актуальность проведения систематических исследований влияния данных факторов на гидромеханические и тепломассообменые процессы. Поэтому изучение нестационарного теплообмена и гидромеханики при турбулентных режимах течения газообразных сред в условиях совместного воздействия на поток тепловой и динамической нестационарности, неизотермичности, продольного градиента давления в зоне формирования пограничных слоев при больших температурных напорах и разработка методик их расчета представляют актуальную прикладную задачу.
Цель работы. 1. Провести математическое моделирование нестационарного турбулентного течения с теплообменом в осесимметричном конфузорном канале с предвключенным начальным участком цилиндрической трубы при резком возрастании: 1) температурного напора, 2) расхода рабочего тела при постоянстве его температуры.
2. Выполнить численный анализ влияния тепловой и динамической
нестационарности, неизотермичности, отрицательного продольного
градиента давления на характеристики турбулентного пограничного слоя и
проверить на адекватность разработанный метод расчета.
3. Провести комплексное экспериментальное исследование по изучению
влияния совместного воздействия тепловой и динамической
нестационарности и неизотермичности на параметры потока и
коэффициенты трения и теплоотдачи при различной интенсивности
увеличения температуры рабочего тела и постоянстве его массового расхода на начальном участке цилиндрического канала, для чего:
подготовить опытный участок, средства измерения и регистрации для выполнения экспериментальных исследований в нестационарных режимах и отработать соответствующие методики, алгоритмы и программы проведения предварительных и основных экспериментов и обработки результатов измерений;
выполнить анализ влияния каждого из дестабилизирующих факторов на характеристики динамического и теплового турбулентного пограничного слоя и на течение и теплоотдачу в целом;
выявить закономерности и определить величины изменения параметров течения и теплоотдачи при воздействии перечисленных дестабилизирующих факторов.
Научная новизна. Выполнено исследование нестационарного неизотермического турбулентного течения газа с теплообменом в осесимметричном канале. В результате проведенного аналитического исследования получена новая информация о влиянии тепловой и динамической нестационарности, неизотермичности, продольного градиента давления на характеристики трения и теплоотдачи в зоне формирования пограничных слоев. Проведенные обобщения известных и полученных автором данных позволили разработать инженерный метод расчета течения и теплообмена в указанных условиях. Впервые приводятся аналитические выражения для границ, ограничивающих область применения интегрального метода расчета в функции обобщающего параметра трения, аккумулирующего воздействие различных дестабилизирующих факторов.
Проведено комплексное исследование развития нестационарного неизотермического течения и теплоотдачи газового потока на начальном участке цилиндрического канала при различных режимах резкого увеличения температуры рабочего тела и постоянстве его массового расхода. Получена новая экспериментальная информация о совместном влиянии тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности на коэффициенты
трения и теплоотдачи и параметры потока в зоне формирования пограничных слоев, а именно, экспериментально установлено 2-х - 3-х кратное увеличение коэффициентов трения и теплоотдачи, вызванное влиянием нестационарности при увеличении температуры газового потока, а также впервые зафиксировано, что в пусковых режимах энергетических установок увеличение скорости изменения температуры рабочего тела более 3000 К/с приводит к снижению интенсивности теплоотдачи.
Экспериментально установлено 2-х - 3-х кратное увеличение коэффициентов трения и 2-х - 3-х кратное уменьшение коэффициентов теплоотдачи, вызванное влиянием нестационарности при резком увеличении температуры газового потока и температурном напоре более 700 К, а также впервые явление ламинаризации теплового турбулентного пограничного слоя (ТПС) зафиксировано при тепловом потоке, направленном от рабочего тела к обтекаемой поверхности.
На защиту выносятся: - методика расчета, результаты численного исследования нестационарного неизотермического течения и теплоотдачи в конфузоре с предвключенным начальным участком цилиндрической трубы в условиях: 1) резкого возрастания температурных напоров; и 2) резком изменении расхода рабочего тела;
- экспериментальные результаты по влиянию тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности, обусловленные резким увеличением температуры рабочего тела при его постоянном массовом расходе, на трение и теплоотдачу при течении газового потока на начальном участке цилиндрического канала; методики проведения отладочных и основных экспериментов и алгоритмы измерений и обработки их результатов.
Практическая значимость. Разработанная методика расчета внутренней структуры течений при совместном воздействии рассматриваемых дестабилизирующих факторов и больших температурных напорах, а также при изменении расхода рабочего тела может быть использована при конструировании и выборе оптимальных режимов работы сложных технологических систем и энергетических установок. Впервые приводятся
аналитические выражения для границ области применения интегрального метода расчета в функции обобщающего параметра трения, аккумулирующего действие различных дестабилизирующих факторов.
Проведенные экспериментальные исследования трения и теплоотдачи в условиях тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности позволили выявить ряд новых особенностей протекания указанных процессов в сложной термогазодинамической ситуации в зоне формирования пограничных слоев. Впервые установлено, что в пусковых режимах энергетических установок увеличение скорости изменения температуры рабочего тела более 3000 К/с приводит к снижению интенсивности теплоотдачи. Явление ламинаризации теплового турбулентного пограничного слоя впервые зафиксировано в пусковом режиме энергетической установки при тепловом потоке, направленном от рабочего тела к обтекаемой поверхности. Предложен параметр, определяющий границы действия эффекта ламинаризации, и определены его граничные значения. Результаты исследований могут быть использованы для определения параметров теплоотдачи и сопротивления трения при проектировании и расчете проточных частей и выборе оптимальных режимов работы энергетических установок и сложных технологических систем в нестационарных условиях.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на ХУ, ХУ1, ХУ111, XIX, XX, XXI1 и XXI11 всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» в г. Казани, 2003, 2004, 2006 - 2008, 2010, 2011 г.г., на межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства» в г. Нижнекамске, 2004 г., на IX международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов» в г. Пензе, 2004 г., на 2-ой всероссийской научно-практической
конференции «Актуальные проблемы энергетики.
Энергоресурсосбережение» в г. Самаре, 2004 г., на научно-практической конференции «Современное состояние процессов переработки нефти» в г. Уфе, 2004 г., на международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» в г. Барнауле, 2004 г., на международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование. Экологически безопасные производства» в г. Иванове, 2004 г., на VIII всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» в г. Пензе, 2004 г., на международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» в г. Ульяновске, 2004 г., на III международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» в г. Пензе, 2005 г., на научных сессиях КГТУ 2006 - 2009 г., на национальной конференции по теплоэнергетике НКТЭ-2006 в г. Казани, 2006 г., на V международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» в г. Пензе, 2007 г., на международной научно-технической конференции «ЭНЕРГЕТИКА-2008: инновации, решения, перспективы» в г. Казани, 2008 г., на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» «XV Бенардосовские чтения» в г. Иванове, 2009 г., на международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту» в г. Самаре, 2009 г, на IX международной научной конференции «Теоретические основы энергоресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» в г. Иванове, 2010 г., на VII международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» в г. Пензе, 2011 г., на XXI международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» в г. Пензе, 2011 г., на XV международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» в г. Пензе, 2011 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 95 работ, в том числе 24 статьи в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК, 6
монографий. Отдельные разделы диссертации докладывались и обсуждались на 28 международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах.
Личный вклад автора. Разработан интегральный метод расчета теплофизических параметров рабочего тела при нестационарных (пусковых или маневровых) режимах функционирования энергетических установок, вызванных изменением температуры или расхода рабочего тела. В результате численного анализа выявлен характер влияния на параметры течения и теплоотдачи тепловой и динамической нестационарности, неизотермичности, отрицательного продольного градиента давления раздельно и в различных сочетаниях, а также их взаимовлияние. Получены аналитические выражения для границ области применения интегрального метода расчета в функции обобщающего параметра трения, аккумулирующего воздействие различных дестабилизирующих факторов. Полученные результаты экспериментальных исследований трения и теплоотдачи в условиях тепловой и динамической нестационарности, при больших температурных напорах в зоне формирования пограничных слоев при одновременном воздействии дестабилизирующих факторов на коэффициенты переноса позволили зафиксировать два новых явления, для которых определены границы и предложены параметры их характеризующие. Автор является руководителем 5 защищенных и утвержденных ВАК кандидатских диссертационных работ.
Теоретические и экспериментальное исследование влияния тепловой и динамической нестационарности на трение и теплоотдачу
Неустойчивость существенным образом нарушает работу двигателя и летательного аппарата в целом, так как ей сопутствуют весьма вредные явления: сильные вибрации, механические повреждения частей двигателя или вспомогательных систем, термические разрушения (выгорание, оплавление) внутренних стенок камеры вследствие возрастания тепловых потоков, возникновение нестабильности тяги и расхода топлива. Если колебания параметров, определяющих рабочий процесс, не вызывают разрушения отдельных агрегатов двигателя, то они могут стать причиной ненормальной работы, некоторых систем и агрегатов ЖРД и, в частности, его системы регулирования, т. е. снижают надежность работы двигателя. Поэтому работам по выявлению причин неустойчивости рабочих процессов, ликвидации колебаний или по снижению их амплитуды уделяется больше внимание. Естественно, это требует дополнительных затрат, удлиняет сроки и удорожает доводку двигателя.
При неустойчивом режиме работы колебательными системами являются газообразные или жидкие вещества, заполняющие объемы агрегатов двигателя (камера, газогенератор, газоводы, топливные магистрали и др.). В большинстве случаев автоколебания поддерживаются непосредственно за счет тепловой энергии, выделяющейся при горении топлива. Эта энергия должна быть достаточной для компенсации ее потерь (рассеивания) из-за наличия молекулярного и турбулентного трения в газе, диссипации на жестких элементах — стенках, жидких каплях, твердых частицах и т. п., вследствие выноса энергии колебаний с газом, покидающим камеру сгорания.
Запуском РД называют режим работы двигателя от первой команды на его включение до выхода на основной режим [39, 105, 167, 225, 253, 254, 257, 280]. При запуске двигателя в его камере и других агрегатах протекают неустановившиеся процессы, в значительной мере определяющие надежность двигателя; с запуском связано большинство отказов современных двигателей. Основными требованиями к режиму запуска являются плавность изменения давления в камере сгорания и отсутствие значительных перегрузок, снижение количества затрачиваемого при запуске топлива за счет сокращения времени запуска, исключение неустойчивого горения. Степень выполнения этих требований определяется организацией запуска, которая включает мероприятия по обеспечению подачи в заданной последовательности в камеру и газогенератор компонентов топлива в необходимых абсолютных и относительных количествах, обеспечение зажигания топлива и требуемый закон набора тяги. Запуск ЖРД представляет собой сложный процесс, связанный с предпусковыми операциями и вовлечением в работу многих устройств и систем [39].
Типичная картина изменения давления в камере сгорания по времени при одновременной подаче обоих компонентов показана на рис. 1.4 [233]. Точка 1 на рисунке соответствует моменту поступления компонентов топлива в камеру сгорания. В точке 2 давление в камере начинает повышаться из-за накопления парогазовых продуктов экзотермических предпламенных реакций, протекающих в жидкой и паровой фазах. Эти продукты представляют собой активные вещества. При достаточно высокой их концентрации происходит цепочно-тепловой «взрыв» газовой смеси (точка 3). Скорость распространения фронта пламени в подготовленной к сгоранию активной смеси велика, и давление в камере сгорания интенсивно нарастает до тех пор, пока массовая скорость выгорания топлива (газообразование) не станет равной расходу через сопло (точка 4). Давление в точке 4 превышает расчетное давление рк в камере сгорания и может превышать также давление подачи топлива. Поэтому расход топлива в камеру резко уменьшается, скорость выгорания топлива становится меньше скорости истечения, и давление в камере падает (точка 5). Затем процесс изменения давления может повторяться несколько раз до установления стационарного значения давления. Пик давления рк является нежелательным или даже опасным, так как он может существенно превышать номинальное значение. Резкое сокращение подачи топлива, которое наблюдается при больших значениях рктах может привести к затуханию пламени, а при последующем поступлении топлива возможен взрыв. Выключение производят либо через промежуточный (по тяге) режим, либо включением подачи и вдувом за борт ракеты компонентов топлива, находящихся в тракте до смесительной головки.
При выполнении программы летательным аппаратом выполняются такие операции управления, как ориентация и стабилизация аппарата в пространстве, коррекция его траектории, сближение и стыковка с другим космическим объектом, торможение, спуск и посадка [307]. Эти операции обычно обеспечиваются активными системами управления летательным аппаратом, исполнительными органами которых являются ракетные двигатели малой тяги (РДМТ). Кроме системы управления РДМТ применяются в системах обеспечения запуска маршевых ЖРД (с целью создания перегрузки, обеспечивающей поступление жидких компонентов к заборным устройствам), разделения частей летательного аппарата, спасения космических аппаратов при аварийном старте ракеты, для обеспечения мягкой посадки и др.
В качестве рабочих тел РДМТ используют жидкие, твердые и газообразные топлива, а также газы, находящиеся в баллонах высокого давления (азот, водород и др.) или получаемые при возгонке сублимирующих веществ. Твердотопливные РДМТ отличаются от. РДТТ больших тяг в основном только геометрическими размерами [222, 256]. РДМТ такого типа используют обычно в ракетно-космических системах, где достаточно однократного включения двигателей, например, при мягкой посадке, при разделении частей летательного аппарата и т. п. [9, 135].
Различают установившийся и неустановившийся импульсные режимы работы ЖРДМТ [254]. Установившимся считают импульсный режим, при котором удельный импульс тяги не зависит от порядкового номера включения. На неустановившемся импульсном режиме удельный импульс тяги зависит от порядкового номера включения. Широкое распространение имеет также режим одиночных включений ЖРДМТ - режим работы с паузами, в течение которых двигатель приходит в исходное состояние. Диаграмма работы ЖРДМТ приведена на рис. 1.6.
Закон трения, профили скоростей, интегральные характеристики нестационарного турбулентного пограничного слоя в неизотермических условиях
Рассмотрим нестационарное движение неизотермического потока несжимаемого газа на начальном участке осесимметричного цилиндрического канала. По каналу движется изотермический поток газа с начальными параметрами: Г0 и G01. Следствием изменения во времени температуры или расхода газа на входе в цилиндрический участок является тепловая и динамическая нестационарность. В работе предполагается исследовать влияние на параметры течения следующие типы возмущающих воздействий:
Изменение начальных и граничных условий во времени вызванное увеличением температуры газа Г0 . Расход газа на входе в опытный участок есть величина постоянная (рис. 2.1). Температура стенок опытного участка Tw изменяется по длине и во времени.
Влияние эффектов нестационарности в изотермических (фА=1) и неизотермических (фА - 1) условиях, вызванное увеличением расхода газа со значения G01 до значения G02 за некоторый промежуток времени At (рис. 2.2). Предполагается, что течение в пограничном слое - турбулентное, начиная от входной кромки опытного участка. Профили скоростей и температур во входном сечении полагаются равномерными. В основу математической модели положена двухслойная модель пограничного слоя, включающая турбулентное ядро, (,J- 1) и вязкий подслой (0 , ,j).
Численный анализ проводим на основе параметрических методов с привлечением теории относительных предельных законов трения и теплоотдачи [190], а также гипотез Прандтля и Фурье о связи касательных напряжений и тепловых потоков с градиентами скоростей и энтальпий по толщине динамического и теплового пограничных слоев
Локальные значения параметров, характеризующих изучаемые процессы, будут считаться осредненными по времени за период, много больший временного масштаба турбулентных пульсаций, но значительно меньший по сравнению с любыми изменениями, не связанными с турбулентностью.
Предположим, что нестационарность, оказывая влияние на структуру течения, не изменяет основных полуэмпирических констант турбулентности.
В основу математической модели, описывающей нестационарное неизотермическое течение несжимаемого газа в осесимметричных каналах с теплообменом, могут быть положены уравнения движения, неразрывности и энергии, записанные в следующей форме и необходимыми замыкающими соотношениями (2.1) - (2.4), полностью описывает нестационарное неизотермическое течение несжимаемого газа в осесимметричных каналах.
Воспользуемся уравнениями (2.5) и (2.7) в виде преобразованном к интегральным соотношения импульсов и энергии. Уравнение движения является уравнением первого порядка в частных производных. Для численной реализации уравнения движения dt дХ используем метод характеристик. Это позволяет при переходе к новым характеристическим координатам в квазилинейном приближении представить уравнение (2.10) в виде системы дифференциальных уравнений в полных производных т. е. комплекс величин prh изменяется во времени одинаково по всему сечению канала. Это довольно удобное свойство системы, так как существенно понижает сложность численной реализации уравнения (2.21), переводя его в класс обыкновенных дифференциальных уравнений, так как величина р0г0/го определяется начальными условиями для случая течения в коротких каналах.
Закон трения, профили скоростей, интегральные характеристики нестационарного турбулентного пограничного слоя в неизотермических условиях Следуя [299], зависимость для коэффициента трения запишем в виде
Входящее в (2.26) распределение плотности по сечению турбулентного пограничного слоя в стационарных условиях определяется интегралом Крокко [189]. Сделаем допущение, что и в нестационарных условиях имеет место данная зависимость, т. е. Здесь Л = (vT/To— Мо и io значения относительной скорости на границе вязкого подслоя и его толщина в стандартных условиях. Как видно из (2.30), конечная реализация зависимости связана с распределением касательных напряжений. Следуя Федяевскому К.К. [310] и Фафурину А.В. [299], запишем коэффициент трения меньше своего стандартного аналога. Эволюция проявляется глубже при меньших числах Рейнольдса, т. к. поток менее устойчив к внешним возмущениям и требуется соответственно меньше затрат энергии для его деформации. Возрастание величины числа Рейнольдса заметно увеличивает сопротивляемость потока к внешнему возмущению. Так при росте Re на порядок при T W = 20 коэффициент трения возрастает в полтора раза.
В области отрицательных значений параметра трения относительный коэффициент трения больше единицы. Меняется и дислокация их по числу Рейнольдса, что вызвано перераспределением энергии. На рис. 2.5 показано влияние неизотермичности на относительный коэффициент трения при действии параметра трения. Если фЛ- 1, то анализируемый параметр возрастает по отношению к изотермическому. Данная ситуация соответствует случаю, когда тепловой поток направлен от теплоносителя к более холодной стенке. Т. е. в пристенной области протекает основной расход более тяжелого газа. Это и стимулирует трение. При фЛ — 1 наблюдается обратная ситуация.
Расчет распределения трения по длине обтекаемой поверхности связан с определением величины формпараметра Н = 5 /о . При известном коэффициенте трения, толщины вытеснения 5 и потери импульса 5 определяются непосредственно по профилям скоростей и плотности. При дозвуковых скоростях профиль плотности может быть найден по соотношению (2.27), а профиль скоростей из (2.29) заменой в последнем (й1 на со,, a ,j на ,,. В результате преобразования (2.29) относительно исходной со, получаем
Влияние фактора неизотермичности в нестационарных условиях
В процессе проведения экспериментальных исследований проводились замеры следующих основных параметров: - температура на оси потока Г0 на входе в опытный участок, т. е. при Х= 0; - температура Тт поверхности стенок канала с координатами Х= 0,5; 2,5; 4,5; 6,5; - полное давление Р0 потока в форкамере; - статическое давление Рстс координатами Х= 2,5; 4,5; 6,5; - пристеночное касательное напряжение трения xw в виде ЛРтр с координатами Х= 2,5; 4,5; 6,5; - массовый расход исследуемого потока газа G.
Массовый расход воздуха, подаваемого в опытный участок, контролировался расходомером критического перепада давления и определялся по измеренным значениям давления Р0 и температуры Т0 торможения перед мерной диафрагмой, известного критического сечения FJCP и барометрического давления формулой [1] где а - коэффициент расхода диафрагмы; m = 0,3965 для воздуха. При проведении отладочных экспериментов давление до и после мерной диафрагмы регистрировалось образцовыми манометрами (класс точности 0,4), а температура перед диафрагмой - лабораторным термометром с ценой деления шкалы 0,1 С (рис. 4.1). Давление окружающей среды измерялось лабораторным барометром.
Для уменьшения эрозии катода в зону дуги плазмотрона подается аргон, расход которого определяется также расходомером критического перепада давления и составляет 1,5 - 2,0 % от расхода воздуха. Температура рабочего тела в приосевой области измерялась хромель-алюмелевой термопарой с диаметром электродов 65-10"6 м. Горячий спай выполнялся методом сварки при помощи угольного электрода. В опытах использовались термопары со спаями, равными диаметру электродов термопар.
Для измерения температуры стенки опытного участка использовались хромель-копелевые термопары (электроды D = 65-10"6 м). Рабочие концы термопар раскатывались до толщины 2-Ю"5 м (на длине 1,5-10"3 м), а затем приваривались на расстоянии 8-Ю"4 м друг от друга конденсаторной сваркой к наружной поверхности опытного участка (рис. 4.6).
Измерение статических давлений, давлений на датчиках трения «трубка-выступ» и полного давления в форкамере при стационарных режимах течения рабочего тела производились микроманометрами ММН-1 со спиртовым заполнением. Трубка полного напора имеет форму типа «лебединой шеи» [243] с наружным и внутренним диаметром соответственно 6,5-10"4м и 4-Ю"4 м.
Для определения профилей скоростей и температур на входе в опытный участок были применены микротрубка Пито с приемным отверстием 4-Ю"4 м и температурный зонд с хромель-копелевой микротермопарой. Поперечный размер рабочего спая термопары не превышал 2-10" м. Выходной сигнал температурного зонда регистрировался цифровым вольтметром ВК2-20. Перемещение трубки Пито и зонда производились при помощи специальных координатных устройств.
При изучении нестационарных режимов течения давления регистрировались многоканальной измерительной системой, включающей индуктивные дифференциальные малогабаритные датчики ДМИ-0,1-2, преобразователи УГ-УМ модуль сбора ЛЛ4М4019. Согласно паспортным данным датчики ДМИ-0,1-2 предназначены для 153 измерения быстроменяющихся давлений в диапазоне ±10 кПа, имеют основную погрешность не более ±3% и амплитудную динамическую погрешность не более ±5% в диапазоне частот пульсаций измеряемой величины от 0 до 500 Гц.
Равномерная полоса пропускания датчиков без фазовых и амплитудных искажений достигает до 600 Гц. Датчики имеют резьбовые штуцеры М3х0,5 для пристыковки к отборному устройству. Трехканальный преобразователь УГ-УМ предназначен для питания датчиков ДМИ и последующего преобразования выходных сигналов ДМИ перед вводом в ИВК. Преобразователь имеет равномерную полосу пропускания от 0 до 1000 Гц.
Используемый в экспериментах комплекс выполняет следующие функции: автоматизированный сбор поступающей информации в реальном масштабе времени, ее хранение и математическую обработку по заданному алгоритму, а также вывод необходимых экспериментальных данных в требуемой форме.
Программа экспериментальных исследований состояла из двух этапов: 1) предварительные отладочные экспериментальные исследования; 2) определение локальных коэффициентов трения и теплоотдачи в различных контрольных сечениях опытного участка при нестационарном изменении температуры потока, температуры стенки и постоянстве массового расхода рабочего тела.
В процессе предварительных экспериментальных исследований были проведены гидравлические испытания опытного участка, определены профили скоростей и температур на входе в канал, динамические частотные характеристики систем отбора импульсов давления и температуры.
Для проведения гидравлических испытаний участок устанавливался в область стабилизированного течения. Это обеспечивалось установкой между соплом форкамеры и входом в опытный канал предвключенного участка трубы D = 45-10" ми длиной 1,170 м. Профиль скоростей, измеренный на выходе из предвключенного участка (Х= 26 d), хорошо отражается зависимостью вида со, = {у/го) [327]. Опытные данные по гидравлическому сопротивлению исследуемого участка, полученные в диапазоне Re = 104 +- 105, описываются законом сопротивления Блазиуса X = 0,3164-Rei" . Таким образом, проведенные исследования показали, что опытный участок является гидравлически гладким.
В разделе 4.1 описаны мероприятия, которые позволили получить равномерные профили скоростей и температур на входе в опытный канал.
Достоверность получаемой информации. при выполнении экспериментальных исследований в существенной степени зависит от точностных характеристик применяемых средств измерения и регистрации. Это особенно важно когда эксперименты выполняются в нестационарных условиях, так как здесь необходимо дополнительно учитывать динамические характеристики первичных преобразователей, для определения которых проводятся соответствующие исследования.
Предварительные отладочные экспериментальные исследования
Относительный коэффициент теплоотдачи Ч в первом режиме в течение всего эксперимента также остается больше своего квазистационарного аналога, во втором режиме относительный коэффициент теплоотдачи с ослаблением воздействия на поток эффектов нестационарности становится меньше квазистационарного аналога, что свидетельствует о снижении эффективности теплоотдачи. В третьем режиме относительный коэффициент теплоотдачи достигает величины 0,5 при величине параметра S= 0,38, что свидетельствует о существенном снижении эффективности теплоотдачи.
Зависимость числа St от числа Ке (рис-. 5.58), построенная в логарифмических координатах, наглядно иллюстрирует тот факт, что в условиях увеличения температуры теплоносителя, которое сопровождается активным ускорением потока со стороны потенциальной области, [60] коэффициент теплоотдачи St и число КеА с течением времени уменьшаются.
Таким образом, при увеличении температуры теплоносителя наблюдается полная аналогия во временных эволюциях коэффициента трения С} и характерного числа Рейнольдса Re , с одной стороны, и коэффициента _ теплоотдачи St и числа Рейнольдса Кей , с другой. Уменьшение величины коэффициента теплоотдачи St в результате временного ускорения потока, в рассматриваемой автором ситуации, коррелируется с результатами экспериментального исследования теплоотдачи [321, 322]. Анализ изменения во времени величины коэффициента теплоотдачи St на рис. 5.58 показывает, что St начинает уменьшаться после достижения максимума. Это означает, что в интервале от 0,00 с до 0,02 - 0,03 с происходит резкое увеличение величины St относительно «стандартного» значения. Аналогичный результат по временным эволюциям коэффициента теплоотдачи был получен в работе [184], где по линейному закону изменялась скорость теплоносителя на входе в опытный участок.
В нашем случае в результате монотонного увеличения температуры Г0 теплоносителя складывается ситуация, в которой скорость w0i (рис. 4.23) на входе в опытный участок изменяется по аналогичному с температурой Т0 закону (рис. 4.15) и выступает в качестве начального условия, формирующего динамическую нестационарность.
На рис. 5.58 цифрами обозначено время, т. е. 2 - 0,02 с; 3 - 0,03 с; ... 12 -0,12 с. Величина коэффициента теплоотдачи St, достигнув в первые моменты времени 0,02 с своего максимального значения, которое превышает квазистационарное, уменьшается и в интервале t 0,12 с стабилизируется. Причиной уменьшения величины коэффициента теплоотдачи является временное ускорение, т. е. динамическая нестационарность, а также неизотермичность. В результате их воздействия на поток, в нем протекает перестройка кинематической структуры, приводящая к уменьшению интенсивности процессов турбулентного обмена относительно квазистационарного аналога. Превышение коэффициентом теплоотдачи величины своих квазистационарных значений вызвано превалирующим влиянием тепловой нестационарности, как первопричины. При уменьшении величины коэффициента теплоотдачи экспериментальные точки располагаются вдоль лучей «А» (рис. 5.58), описываемых аппроксимационным выражением
Полученные результаты эксперимента аналогичны тем, которые имеют место в ускоренных потоках при проявлении эффектов «ламинаризации» турбулентного пограничного слоя. Снижение интенсивности теплообмена, обусловленного влиянием ускорения потока, в 2 раза и более получено в работах [326, 374, 388]. В работе [330] отмечается, что воздействие больших отрицательных градиентов давления на структуру потока в пограничном слое приводит к существенному (в 3 - 4 раза) увеличению коэффициента сопротивления трения. Дейч М.Е. [109, ПО] показывает, что переход турбулентного пограничного слоя в ламинарный в основном характеризуется весьма большими положительными градиентами скорости порядка (6 + 8)-103 1/с. При этом более чем в 2 раза уменьшается толщина потери импульса 8 и значение характерного числа Re снижается с 1000 до 700. Безразмерная толщина пограничного слоя также уменьшается в2 -3 раза до некоторого значения, равного 10. В работах, где исследовалась структура турбулентного пограничного слоя, например, в [326] отмечается, что под действием больших отрицательных градиентов давления наблюдается существенное ослабление механизма турбулентного переноса, Кун и Перкинс [185] добились перехода от турбулентного режима течения к ламинарному в цилиндрической трубе за счет высоких степеней нагрева обтекаемой поверхности.
Кривая, определяющая «границу» области ламинаризации, построена по уравнению (5.9). Из представленного материала видно, что в интервале времени 0,025 +- 0,045 с величина параметра К достигает «границы» либо переходит ее в область ламинаризации. Причем более 70% величины параметра К приходится на долю слагаемого Kt. По длине опытного канала величина параметра К располагается около «границы», там, где эффекты динамической нестационарности проявляются белее активно и принимают наибольшие значения в одноименные моменты времени. Кроме того, коррелируются с литературными данными характер и направление изменения чисел Рейнольдса Re0I, Re , ReA коэффициентов трения и теплоотдачи, диапазон изменения характерного числа Re 1000 + 400, величина положительного градиента скорости dw0/5f = 700-5-1150 м/сек2. С другой стороны, Дейч М.Е.[109, ПО] отмечает, что переходная зона в случае обратного перехода должна иметь большую протяженность, так как необходим значительный участок течения для вырождения турбулентности. Либо в рассматриваемом случае - время, в течение которого формируются полученные результаты. Хотя экспериментальные измерения кинематических "как средних, так и пульсационных характеристик не проводились, а высокие значения временных производных скорости сохраняются в течение непродолжительного промежутка времени (около 0,03 +- 0,04 сек), то, учитывая схожесть в изменениях целого ряда характеристик потока и с позиций оценки по параметру К, можно предположить, что в рассматриваемой ситуации произошла ламинаризация турбулентного пограничного слоя. Однако, тот факт, что в интервале времени t 0,1 с опытные точки группируются около «стандартной» зависимости для ламинарных режимов течения позволят констатировать ламинаризацию турбулентного пограничного слоя.
