Содержание к диссертации
Введение 4
Глава I. Развитие экспериментальных методов исследования турбулентных
течений 11
1.1. Электродиффузионный метод исследования локальных характеристик
турбулентных потоков 11
-
Метод цифровой трассерной визуализации для измерения мгновенных распределений скорости жидкости и газа 22
-
Теневой метод измерения локальной толщины пленки жидкости 62
-
Волоконно-оптический метод измерения локальной толщины пленки жидкости..63
Глава II. Гидродинамическая структура осеспмметричной импактной струи 65
-
Когерентные структуры в свободных слоях смешения и струях 65
-
Процессы переноса в импактных струях 96
-
Характеристики осесимметричной импактной струи 108
-
Осесимметричная импактная струя в условиях внешнего периодического зозбуждения 124
-
Условное осреднение характеристик осесимметричной импактной струи, касательное напряжение на стенке 157
-
Условное осреднение характеристик осесимметричной импактной струи. Поля
жорости 161
1.1. Знакопеременные течения в пристенной области импактной струи 179
L8. Импактная струя в условиях газонасыщения 194
"лава III. Плоская турбулентная струя в ограниченном пространстве 202
.1. Обзор экспериментальных и теоретических работ по распространению струй в
траниченном пространстве. Эффект Коанда 202
.2. Основные режимы течения при распространении плоских турбулентных струй в
аналах 231
.3. Поперечное истечение двумерной струи в канал 238
.4. Распространение двумерных струй в протяженном канале при продольном
стечении 252
лава IV. Полуограниченное струйное течение со свободной границей
ривул ет 280
-
Обзор экспериментальных и теоретических работ. Основные области приложения. Описание эксперимента 280
-
Характеристики безволнового ривулета. Режимы течения 285
-
Волновые характеристики ривулета. Естественные и возбужденные волны. Управление волновой структурой 291
-
Течение ривулета в присутствии турбулентного газового потока 303
Глава V. Изотермическое моделирование аэродинамики факельных
топочных камер и элементов энергетического оборудования 308
-
Изотермическое моделирование аэродинамики факельно-вихревой топки 310
-
Моделирование аэродинамики топок котлов Е-160-3,9-440,
Е-100-3,9-440 и асимметричной газовой горелки 319
5.3. Распространение турбулентных струй в регулярных упаковках
цилиндрических элементов 331
Заключение 355
Литература 357
т,
Введение к работе
Струйные течения, ограниченные твердыми поверхностями, являются одной из наиболее часто встречающихся форм организации эффективного тепломассообмена. Причина этого - одной стороны, в удобстве и простоте технической реализации струйных тепломассообменных аппаратов, а с другой - в чрезвычайно высокой интенсивности процессов переноса, обеспечивающейся особенностями, присущими струйным течениям. Одним из наиболее часто встречающихся видов ограниченных струйных течений являются импактные струи, т.е. струи, соударяющиеся с нормально или под углом расположенной твердой поверхностью. Струйный нагрев и охлаждение применяются в металлургии, энергетике и энергетическом машиностроении, пищевой промышленности и радиоэлектронике, в том числе, для охлаждения нагревающихся элементов интегральных микросхем и мощных процессоров. К областям практического применения импактных струй можно также отнести и авиационную технику - это системы защиты летательных аппаратов от обледенения, очистка взлетно-посадочных полос и дорог от снега и наледи, предотвращение их разрушения от струй реактивных двигателей.
Широко распространенным типом ограниченных струйных течений являются присоединенные струи, т.е. струи, отклонившиеся от своего первоначального направления из-за возникновения поперечного градиента давления, появляющегося вследствие различий условий эжекции с разных сторон струи (эффект Коанда). Такие течения характерны для замкнутых объемов (камеры сгорания, химические реакторы, вентилируемые помещения и т.д.) и условия распространения струй в ограниченном пространстве зачастую определяют интенсивность и эффективность протекающих процессов.
Отдельный вид ограниченных струйных течений - двухфазные полуограниченные струи жидкости - ривулеты, представляющие собой покализованные жидкие пленки, ограниченные контактной линией. Данный вид гечений является характерным для двухфазных тепломассообменных аппаратов -теплообменников, конденсаторов и т.д.
Широта практического применения ограниченных струйных течений эбуславливает необходимость изучения фундаментальных физических эффектов и ївлєний, их сопровождающих. Ограниченные струи являются универсальным объектом для тестирования математических моделей турбулентных течений. В различных областях потока имеют место свободные и пристенные сдвиговые слои, развиваются и ззаимодействуют с твердой поверхностью крупномасштабные когерентные структуры, существенные градиенты гидродинамических характеристик в резкое искривление ганий тока в окрестности критической точки могут приводить к развитию продольных шхревых структур за счет неустойчивости Гертлера. Распределение плотности вероятности турбулентных пульсаций в некоторых областях струйных течений, взаимодействующих с поверхностью, является зачастую значительно отличным от ~ауссова, а характер анизотропии пульсаций вблизи стенки, как правило, существенно шым, чем для пограничных слоев даже с заметными градиентами давления.
Когерентные структуры в струйных течениях - это крупные вихри в слое смешения, появляющиеся вследствие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Они эазвиваются от линейной стадии роста волн неустойчивости до нелинейного свертывания вихрей, парного и коллективного взаимодействия, с дальнейшей потерей ізимутальной устойчивости вниз по потоку. Для ограниченных струйных течений со свободной поверхностью - ривулетов когерентные структуры - это нелинейные волны іа поверхности жидкости. Данные структуры, как правило, имеют размеры, сопоставимые с поперечным размером сдвигового слоя и характеризуются сравнительно большими временами жизни. Повышенное внимание к изучению согерентных структур наблюдается с первых опубликованных работ на эту тему, где іредставленьї наблюдения и эксперименты по развитию крупномасштабных >бразований в сдвиговых слоях, а затем и ряд теоретических моделей. С начала 70-х одов, с работ Рошко, Лауфера, Гиневского, Хуссейна, Хо и других начался [авинообразный рост публикаций, посвященных исследованию когерентных структур [ их роли в процессах развития сдвигового слоя, турбулентного перемешивания и енерации аэродинамического шума. Большинство исследований, однако, посвящалось вободным слоям смешения и струям, при этом процессы взаимодействия рупномасштабных структур с твердыми поверхностями изучались лишь в немногих заботах.
С другой стороны, традиционное направление по повышению эффективности епломассообмена при струйном обтекании тел, развивалось в последние десятилетия акже крайне интенсивно. Существует ряд работ, в комплексном виде обобщающих олыное число исследований на данную тему - обзоры Мартина (1977), Вебба и Ма 1995), монографии Юдаева и др. (1977), Дыбана и Мазура (1982) и т.д. Число работ, ак или иначе направленных на изучение закономерностей тепломассообмена с реградами, велико. Изучается влияние гидродинамики струйного течения на процессы ереноса, способов организации импактных струйных течений, тепловых условий здачи и т.д. Однако зачастую остается неиспользованным большое количество озможностей управления интенсивностью процессов переноса, связанных с воздействием на различные части спектра, в том числе на крупномасштабные нелинейные образования.
Основным предметом данной работы является изучение тонкой турбулентной и волновой структуры ограниченных струйных течений, спектрального состава пульсационных полей физических характеристик, а также исследование закономерностей развития крупномасштабных структур в условиях близкого расположения твердых поверхностей и существенных градиентов определяющих характеристик. Управление спектром при помощи ряда традиционных и новых методов - внешних наложенных периодических колебаний, добавления второй фазы или изменения геометрических граничных условий открывает широкие возможности для малоэнергетичного эффективного воздействия на интенсивность процессов переноса.
Целью работы является:
Получение новых экспериментальных данных по турбулентной структуре ограниченных струйных течений - импактных и присоединенных струй. Изучение закономерностей развития крупномасштабных вихревых образований в условиях близкого расположения твердых поверхностей. Развитие методов управления спектральным составом турбулентных пульсаций в ограниченных струйных течениях. Изучение модуляции турбулентного поля при помощи наложенных периодических колебаний и газонасыщения. Выявление основных механизмов, определяющих интенсивность процессов переноса в импактных и ограниченных струях.
Экспериментальное исследование ручейкового течения вязкой жидкости в широком диапазоне параметров. Развитие методов управления волновой структурой ривулетов. Изучение влияния волн на интегральные характеристики ограниченных пленочных течений.
Физическое моделирование процессов в топочных камерах и горелочных устройствах. Получение экспериментальной базы данных для проверки адекватности математического моделирования и для разработки более эффективных способов замыкания. На основе экспериментов и сопоставления с результатами математического моделирования проведение оптимизации конструкции и режимных параметров для ряда реальных технологических устройств.
Развитие экспериментальных методов - электродиффузионного и PIV (Particle Image Velocimetry) для исследования турбулентных потоков, содержащих крупномасштабные вихревые структуры и области с высокими градиентами параметров.
Научная новизна работы.
На основе комплексных исследований локальной структуры осесимметричной импактной струи получены новые экспериментальные результаты по локальным гидродинамическим характеристикам, как в области свободной струи, так и в области пристенного струйного течения. Впервые детально изучена окрестность критической точки при помощи двойных электродиффузионных датчиков трения и метода Particle Image Velocimetry. Определены характеристики зон нестационарных локальных отрывов. Изучены возможности управления спектром турбулентных пульсаций при помощи различных методов активного воздействия. Исследована чувствительность импактной струи к внешним периодическим возмущениям разной частоты и амплитуды. Впервые показано, что низкоамплитудное внешнее возбуждение струи на частотах из области максимальной восприимчивости приводит к снижению среднего трения и резкому увеличению уровня пульсаций. Выявлено, что резонансный рост пульсаций в ближнем поле струи связан с когерентной составляющей. Изучено влияние внешнего возбуждения струи на широкополосную область турбулентного спектра. Впервые совместно с полевым методом диагностики течения - PIV применена методика условного осреднения с тройной декомпозицией пульсаций. Применение данного подхода с высокоразрешающей модификацией метода PIV позволило обнаружить периодическую структуру статистических распределений. Экспериментально изучено влияние пузырьковой газовой фазы на турбулентную структуру импактной струи. Обнаружен эффект подавления когерентных структур в газонасыщенной импактной струе с мелкодисперсной газовой фазой. Для данных условий зафиксировано усиление пульсаций в стохастической части турбулентного спектра.
На основе данных, полученных при экспериментальном исследовании двумерных струйных течений, сопровождающихся эффектом Коанда, определены способы управления структурой двумерных присоединенных течений при помощи локального (направленного) и диффузного вдува (отсоса) в рециркуляционную зону. Показана возможность адекватного описания характеристик течения при помощи интегрального метода, учитывающего особенности начального участка и вдува (отсоса) в зону разрежения. Изучены закономерности распространения плоских турбулентных струй в каналах. Определен спектр возможных режимов течения - от автоколебательных до стационарных с устойчивым присоединением струй. Изучены гистерезисные явления при непрерывном изменении граничных условий при истечении струй в ограниченное пространство. Проведено комплексное экспериментальное исследование распространения турбулентных струй в пространстве, загроможденном регулярными упаковками цилиндров. Впервые при помощи электродиффузионного метода измерены локальные характеристики струйного течения в межтрубном пространстве для различных типов набегающего потока - плоских и осесимметричных струй и однородного потока. Показано существенное влияние эффекта Коанда на закономерности струйных течений в загроможденном пространстве. > Впервые экспериментально исследовано ручейковое течение вязкой жидкости по нижней стороне наклонного цилиндра в широком диапазоне изменения параметров. Показано, что течение ривулета является неустойчивьм, в результате чего развиваются нелинейные волновые режимы. Исследована гидродинамическая стабилизация течения на основе экспериментальных данных по толщине ривулета и касательным напряжениям на стенке. Выявлено существенное влияние волн на интегральные характеристики. Обнаружены новые типы волн - двугорбые волны треугольного профиля. Показано, что в отличие от случая традиционных пленок, трехмерные волны на ривулете могут быть строго регулярными. Впервые изучено влияние газового обдува на волновую структуру ривулетов. ' Проведено изотермическое моделирование ряда топок и горелок энергетических котлов. Впервые для моделирования применены современные экспериментальные методы - электродиффузионный и PIV. Показана эффективность сочетания экспериментального и математического моделирования, в котором данные эксперимента могут применяться как для проверки адекватности математического моделирования, так и для разработки более эффективных способов замыкания. На основе экспериментов и сопоставления с результатами математического моделирования проведена оптимизация конструкции и режимных параметров ряда реальных технологических устройств.
Впервые реализованы и применены в гидродинамическом эксперименте конструкции двойных электродиффузионных датчиков касательного напряжения и скорости, позволяющие проводить измерения в существенно неодномерных потоках с высокими градиентами параметров (окрестность критической точки и интенсивные закрученные течения). Для метода PIV разработаны и реализованы алгоритмы обработки полей образов частиц-трассеров на основе адаптивных корреляционных процедур с использованием последовательных итераций с подниксельной точностью и корреляционного сглаживания, что позволило в существенной степени увеличить точность измерения и расширить динамический диапазон. Предложен и реализован новый метод фильтрации PIV - данных, основанный на анализе статистических распределений. Впервые использован совместно с методом PIV подход условного осреднения, позволяющий проводить разложение пульсационного поля скорости на когерентную и стохастическую составляющие.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что в ней на новом уровне экспериментально изучена структура ограниченных струйных течений, получена принципиально новая информация о локальных характеристиках течений, определены пути и возможности управления интенсивностью процессов переноса. Впервые взаимодействие струй с твердыми поверхностями рассмотрено в непосредственном контексте с развитием неустойчивостей и показано определяющее влияние крупномасштабных когерентных структур - крупных вихрей в слое смешения и нелинейных волн на поверхности ривулетов - на закономерности развития течения в окрестности твердой поверхности. При выполнении работы был сделан существенный вклад в развитие экспериментальных методов, в частности, нового, быстро развивающегося в настоящее время метода цифровой трассерной визуализации на основе корреляционных алгоритмов (PIV). Впервые продемонстрирована эффективность комплексного подхода - параллельного экспериментального и математического моделирования технологических процессов в камерах сгорания и реакторных объемах.
Полученные новые экспериментальные данные могут быть использованы при конструировании многих струйных тепломассообменных аппаратов, топочных камер и химических реакторов. Ряд результатов был использован при реконструкции энергетических котлов на тепловых электростанциях. Полученная в работе экспериментальная база данных по локальным турбулентным характеристикам является основой для тестирования математических моделей для турбулентных течений, а также для разработки новых методов замыкания.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях молодых ученых (ИТ СО РАН, Новосибирск, 1988, 1989, 1991 гг., ИТМО, Минск, 1988 г.; ИТТФ, Алушта, 1989 г.); на международном сипозиуме ШТАМ-90 "Separated Flows and Jets" (Новосибирск, 1990 г.); на 10-м международном конгрессе "CHISA-90" (Прага, 1990 г.); на международном семинаре "Electrodiffusion Diagnostics of Flows" (Дурдан, Франция, 1993 г.); на международном симпозиуме "Turbulence, Heat and Mass Trasnfer" (Лиссабон, Португалия, 1994 г.); на 6-ом и 7-ом Фрумкинском Симпозиуме "Фундаментальные аспекты электрохимии" (Москва, 1995,2000 гг.); на 1-ом международном Симпозиуме "Two-Phase Flow Modelling and Experimentation" (Рим, Италия, 1995 г.); на Сибирском семинаре "Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей", (Новосибирск, 1997, 1999, 2000); на 11-ом международном симпозиуме "Turbulent Shear Flows" (Гренобль, Франция, 1997); на 4-ой всемирной конференции "Experimental Heat Transfer, Fluid Mech. and Thermodynamics" (Брюссель, Бельгия, 1997); на 3-ей европейской конференции по механике жидкости (Геттинген, Германия, 1997); на 3-ей международной конференции по многофазным течениям (Лион, Франция, 1998); на 4-ом международном Симпозиуме "Engineering Turbulence Modelling and Measurements" (Корсика, Франция, 1999); на 2-ой международной конференции "Heat Transfer and Transport Phenomena in Multiphase Systems" (Кельтц, Польша, 1999); на 2-ом международном Симпозиуме "Two-Phase Flow Modelling And Experimentation" (Пиза, Италия, 1999); на 1-ом международном Симпозиуме "Turbulence and Shear Flow Phenomena" (Санта-Барбара, США, 1999); на 3-ей международной конференции "Flow Interaction of Science and Art" (Цюрих, Швейцария, 2000); на 8-ой Европейской конференции по турбулентности (Барселона, Испания, 2000); на 4-ой европейской конференции по механике жидкости (Ейндховен, Голландия, 2000); на 2-ом международном Симпозиуме "Turbulence and Shear Flow Phenomena" (Стокгольм, Швеция, 2001); на 4-ой международной конференции по многофазным течениям (Ныо-Орлеан, США, 2001); на 5-ой всемирной конференции "Experimental Heat Transfer, Fluid Mech. and Thermodynamics" (Салоники, Греция, 2001); на 4-ом международном симпозиуме по методу PIV (Геттинген, Германия, 2001); на 9-ой Европейской конференции по турбулентности (Саусгемптон, Великобритания, 2002); на 11-ом международном Симпозиуме " Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics" (Лиссабон, Поругалия, 2002); на 4-ом международном Симпозиуме "Engineering Turbulence Modelling and Measurements" (Майорка, Испания, 2002) и др. Кроме того, результаты неоднократно докладывались на рабочих семинарах института теплофизики, других институтов СО РАН и ВУЗов. Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 54 статьи в российских и международных журналах и материалах международных конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата [1-37].
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 380 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 410 наименований. Текстовая часть иллюстрируется 196 рисунками.
