Введение к работе
- 1 -
Актуальность работы. Решение очень многих инженерных, научных, дологических проблем связано с необходимостью более или менее детального описания турбулентных течений жидкости и газа, а, іледовательно, с необходимостью достаточно глубокого понимания ризической природы турбулентности. Уровень описания турбулентных іронессов определяется состоянием и возможностями статистической еории турбулентности, а понимание физической природы турбулентности сак явления в основном связано с результатами ее экспериментального ісследования.
Характеризуя современное состояние статистической теории урбулентности необходимо в первую очередь отметить ее необычайно юзроспше возможности в решении сложнейших прикладных задач, іазирующиеся на использовании современных вычислительных средств, и лепехах в разработке высокоэффективных процедур, в том числе на тощных многопроцессорных ЭВМ. В качестве альтернативных по >тношению 1С классическому описанию турбулентности но Рейнольдсу тали развиваться методы прямого численного моделирования урбулентных течений на основе трехмерных нестационарных уравнений Іавье-Стокса. Оценка перспектив прямого численного моделирования урбулентности свидетельствует о том, что методы этого направления іриобретут практическое значение лишь через 70-80 лет в результате юзкого качественного повышения вычислительных ресурсов ЭВМ. Другие ільтернативньїе подходы к моделированию турбулентности, в частности, ?же широко апробированный и достаточно высокоэффективный метод моделирования крупных вихрей, а также входящий в настоящее время в ірактику метод моделирования отсоединенных вихрей, предназначенный ція описания отрывных турбулентных течений, при всей их іривлекательности пока не могут рассматриваться как универсальные, пирокодоступные средства моделирования турбулентных течений.
Анализируя наиболее важные тенденции в развитии жепериментальных исследований турбулентности в последние 25-30 лет южно указать прежде всего на значительное расширение этих ісследований на качественно более высоком по сравнению с 60-70 гг. 'ровне, что привело к существенному углублению физических гредставлений о характере процессов турбулентного переноса. При этом >собое внимание стало уделяться прямому анализу и непосредственным ізмерениям нестационарных полей. Проведение весьма трудоемких и стальных экспериментальных исследований стало возмоясным благодаря успехам в разработке новых методов измерения, в частности, разработке
лазерных додлеровских измерителей, скорости, совершенствовании: программного обеспечения ЭВМ, автоматизации проведение экспериментов и обработки результатов. Наиболее важным результатов этих исследований явилась формулировка представлений о турбулентное движении как движении в значительной: степени упорядоченном; включающем в качестве составной части когерентные (организованные) структуры.
Сопоставление обоих рассмотренных выше подходов к изученик свойств турбулентности (численное моделирование и экспериментальные исследования) нередко завершается выводом об устойчивой тенденции «замещения» традиционного для гидрогазодинамики экспериментального исследования численным моделированием, как более мобильным, так і экономически более выгодным. С этим тезисом можно согласиться ЛИШІ частично, применительно к отдельным классам турбулентных течений например, вынужденноконвективным течениям, в изучении когоры? накоплен обширный, едва ли не вековой опыт экспериментальны? исследований, и мало ему уступающий по временным рамкам ольп моделирования на основе традиционных полуэмпирических моделеі турбулентности.
Гораздо более скромный уровень достигнут в настоящее время і исследовании свободноконвективных турбулентных течений, возникающю под действием сил плавучести в неравномерно нагретой среде Ограничимся в дальнейшем оценкой состояния экспериментальны? исследований применительно к одной из канонических задач турбулентному движению неизотермической жидкости или газа вдолї вертикальной нагретой поверхности. В ранних работах, посвященных это проблеме, основное внимание уделялось исследованию характсристш теплообмена, в частности, определению критериальных законої теплоотдачи, необходимых для решения практических задач.
Достаточно детальные экспериментальные исследования стал^ возможными лишь в последние десять-пятнадцать лет с появлением боле< или менее надежных методик, измерений в низкоскоростны? неизотермических потоках с высоким уровнем низкочастотных пульсацяі тепловых и скоростных характеристик. Однако, до настоящего Бремені информация о характеристиках рассматриваемого течения остается весьмг ограниченной, а нередко носит и противоречивый характер. В частности во многом остаются нерешенными вопросы о структуре динамического і теплового свободноконвекгивного переходного и турбулентной пограничных слоев. Иными словами, практически отсутствуют данные ( масштабах отдельных подобластей: вязкого и теплопроводного подслоев
іереходньїх областей, динамического и теплового слоев выталкивающей илы, наконец, о законах стенки в этих слоях. В немногочисленных кспериментальных работах, посвященных изучению переходного режима, [о сути лишь в общих чертах намечены основные стадии развития течения.
Причины отмеченного, в определенном смысле, «хронического
тставашш» уровня экспериментальных исследований
вободноконвективных турбулентных течений от аналогичного уровня ;сследований вынужденных течений связаны не только с особенностями ;анного течения, к которым следует отнести сравнительно небольшой ровень средних скоростей (не более (0.6-0.8) м/с) и большая нтенсивность пульсационного движения (до (30-40)% по скорости), по и трудностями создания собственно экспериментальных установок, пособных обеспечить высокостабильный свободноконвективный поток в ечение достаточно больших промежутков времени. По литературным днным в мире насчитывается не более пяти подобных установок (Япония, Франция, США), в том числе, по-видимому, единственная в России становка, на которой проведены настоящие исследования.
Приведенные выше соображения не оставляют сомнений в ктуальности широкомасштабных экспериментальных исследований вободноконвективных турбулентных пограничных слоев, включая шальные осредненные и пульсационные, а также интегральные арактеристики, в широком диапазоне определяющих параметров.
В настоящей работе в качестве объекта экспериментального сследования выбрано свободнокопвективное течение у нагретой ертикальной поверхности. Несмотря па свою относительную простоту, тот тип течения содержит в себе многие главные элементы, характерные ля разнообразных пристенных течений, обусловленных силами лавучести. Отсутствие «побочных» факторов позволяет сосредоточить сновное внимание на особенностях развития турбулентности в вободноконвективных потоках, в частности, на изучении влияния ыталкивающей силы на структуру течения.
Целью работы является:
Создание и тестирование экспериментального стенда, озволяющего получить около вертикальной нагретой поверхности ысокостабильный свободноконвективный поток в широком диапазоне зменения определяющих параметров течения, включая три режима: аминарный, переходный и развитый турбулентный.
Разработка методики измерения мгновенных значений гмиературы и скорости применительно к низкоскоростным существенно еизотермическим потокам с высоким уровнем турбулентных пульсаций.
Разработка методики калибровки термоанемометрических датчиков при малых скоростях в иеизатермической. воздушной среде.
Измерение осредненных характеристик потока с целью изучения структуры турбулентного пограничного слоя: определение положения и протяженности вязкого подслоя, буферной области, внутренней и внешней подобластей, а также значимости этих областей в развитии турбулентных процессов.
Разработка методики измерения теплового потока и напряжения трения на поверхности пластаны по профилям осредненных температуры и продольной скорости. Изучение на основе этих измерений пристенной области пограничного слоя.
Измерение различных характеристик пульсационного движения, в том числе, профилей турбулентного напряжения трения и двух компонент турбулентного теплового потока.
Проведение корреляционного и спектрального анализа пульсаций температуры и двух компонент скорости с целью изучения эволюции пространственных и временных микро- и макромасштабов турбулентности.
Исследование особенностей перехода ламинарного режима течения в турбулентный.
Количественное определение различных параметров потока, характеризующих начало и конец зоны перехода.
Разработка возможного сценария перехода.
Научная новизна. Для понимания сложного механизма турбулентного теплообмена в гравитационном поле необходимо знание "тонкой" структуры потока, включая прежде всего различные пульсационные характеристики.
Настоящее исследование существенно дополняет сведения о структуре турбулентного свободноконвективного пограничного слоя, расширяет имеющиеся представления о смене режимов свободноконвективного течения и механизме влияния выталкивающей силы на развитие турбулентной свободной конвекции.
Разработана новая методика измерения скорости в низкоскоростном неизотермическом воздушном потоке при наличии большого уровня турбулентных пульсаций. Для реализации этой методики создана специальная установка для калибровки термоанемометрических датчиков по скорости и разработана оригинальная калибровочная процедура.
Разработана методика измерения теплового потока и напряжения трения на поверхности по профилям средних скорости и температуры. Проведены измерения этих характеристик при ламинарном, переходном и
- 5 -турбулентном режимах течения, получены соответствующие аппроксимирующие зависимости в диапазоне чисел Грасгофа от 5-Ю5 до 5-Ю".
Получены новые результаты в исследовании слоя «выталкивающей силы», а частности, определены его размеры и расположение внутри пограничного слоя.
Получены новые данные по зарождению и формированию турбулентного режима в зоне ламинарно-турбулентного перехода, в частности, установлено существование в области перехода «волнового слоя*-, определены границы этого слоя. Разработан возможный сценарий перехода.
Впервые с помощью специального градиентного датчика теплового потока было измерено распределение мгновенного значения теплового потока на нагретой поверхности. Проведен анализ пульсационной составляющей мгновенного значения теплового потока.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась путём использования в опытах современных средств измерения и воспроизводимостью результатов, а также путем сравнения результатов тестовых экспериментов с данными других авторов.
Практическая значимость работы заключается в получении новых данных по структуре пограничного слоя, осредненным и пульсационным характеристикам потока в условиях свободной конвекции. Получены новые данные по распределению напряжения трения и теплового потока на стенке, определены границы переходной области. Данные по структуре течения могут быть использованы при разработке новых моделей турбулентности для свободноконвективных пограничных слоев.
Составлена База данных средних и пульсационных характеристик свободноконвективного пограничного слоя в широком диапазоне определяющих параметров, которая может быть использована для тестирования различных моделей переходного и развитого турбулентного режимов течения.
Технические параметры экспериментального стенда и универсальность предложенной методики измерения скорости позволяют проводить широкие исследования как научного характера, так и решать конкретные инженерные задачи в области теплообмена различных технических устройств.
На зашиту выносятся следующие научные и технические результаты:
Разработка и создание экспериментального стенда для проведения исследований по влиянию выталкивающей силы на зарождение,
формирование и развитие структуры турбулентного
свободноконвективного пограничного слоя.
Методика измерения скорости в низкоскоростных существенно неизотермических потоках с высоким уровнем турбулентных пульсаций.
Калибровочная установка и методика калибровки термоанемометрических датчиков при малых скоростях в неизотермической воздушной среде.
База данных характеристик свободноконвективного пограничного слоя в широком диапазоне изменения определяющих параметров для тестирования моделей переходного и развитого турбулентного режимов течения, включающая результаты измерения:
средних значений температуры и. двух компонент вектора скорости;
^інтенсивностей пульсаций температуры и двух компонент вектора скорости;
профилей турбулентного напряжения трения и двух компонент вектора турбулентного теплового потока;
теплового потока и напряжения трения на нагретой вертикальной поверхности
корреляционных и спектральных характеристик пульсационного движения;
Результаты исследования структуры течения, включая:
определение размеров и расположения области «выталкивающей силы» внутри пограничного слоя, а также других областей, характерных для свободноконвективных течений;
- анализ поведения пространственных и временных микро- и
макромасштабов турбулентности;
- анализ процессов в области ламинарно-турбуленгного
перехода, в частности, образование в зоне перехода волнового
слоя, наличие которого является неотъемлемой частью
механизма смены режимов течения;
Определение границ зоны ламинарно-турбулентного перехода и
составление «сценария»- этого перехода.
Апробация работы. Основные результаты исследований по мере их получения были доложены и обсуждены на: 3-й Всесоюзной конференции по проблемам турбулентных течений (г.Ждапов, 1984г.); 6-ом Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (г.Ташкенг, 1986г.); 4-й Всесоюзной конференции по проблемам турбулентных течений (г.Донецк, 1988г.); 2-й школе-семинаре социалистических стран «Вычислительная
механика и автоматизация проектирования» (Москва-Ташкент, 1988г.); Всесоюзном семинаре «Методы, аппаратура и применения» (г.Москва, 1990г.); 5-й Всесоюзной конференции по проблемам механики неоднородных сред и турбулентных течений (г.Одесса, 1990г.); 1-й Всесоюзной конференции «Математическое моделирование физико-химических процессов в энергетических установках» (г.Казань, 1991г.); International symposium heat transfer enhancement in power machinery (Moscow, 1995); 3-м Международном форуме по тепломассообмену (г.Минск, 1996г.); 2-nd ERCOFTAC workshop on large eddy simulation (France, Grenoble, 1996); Крыловских чтениях (г.С.Петербург, 1995, 1997, 1999гг.); EUROMECM Colloquium 377 «Stability and control of shear flows with strong temperature of density gradients (Prague, 1998); Conference «Turbulent heat transfer-2» (Manchester, 1998); 24-th General assembly of European geophysical society (Hague, 1999); 4-th International symposium on engineering turbulence modeling and measurements (France, Corsica, 1999); International conference «Fluxes and structures in fluids» (S.Petersburg, 1999); 4-ом Международном форуме по тепломассообмену (г.Минск, 2000г.); 2-nd European conference on small burners and technology (Germany, Stuttgart, 2000).
Результаты исследования вошли в Базу Данных no INTAS (прект №93-1584), а также работа финансировалась через гранты РФФИ: (1996-1998гг.) и действующий (2000-2002гг.).
Публикации. Основные результаты исследования представлены в 40 публикациях, перечисленных в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой, литературы из 191 наименования. Работа изложена на 333 страницах машинописного текста, содержит 147 рисунков и 11 таблиц.