Введение к работе
Актуальность темы. Задачи теплоэнергетики и химической технологи, строительной техники и метеорологии, повышенное внимание к роблемам экологии и охраны окружающей среды обусловили возросший последнее десятилетие интерес к свободноконвективным течениям. В томных и химических реакторах, в различных теплообменных устройст-ах, в криогенной технике и полупроводниковой технологии свободная онвекция может заметно влиять на протекающие в таких установках роцессы. Теплоотдача путём свободной конвекции определяет эффек-ивность охлаждения многих технических установок, является наиболее ростым способом охлаждения ряда электронных устройств.
Турбулентный режим свободноконвективного теплообмена встречается природе и технике значительно чаще, чем ламинарный. Он является пределяющим, в частности, при рассеивании тепловой энергии больших адиаторов, установлении тепловых режимов при эксплуатации промыш-енных сооружений. Однако, несмотря на большое практическое значение, о последнего времени этому типу течений посвящено сравнительно мало сследований. В основном в экспериментальных работах, в которых зучался свободноконвективный пограничный слой, определялись законы еплоотдачи и осреднённые характеристики течения. В немногочисленных кспериментальных работах, направленных на изучение структуры урбулентных свободноконвективных течений, показано, что такие потоки ;меют специфические особенности, связанные с наличием массовой силы. Однако, для создания надёжных моделей турбулентности полученных іезультатов явно недостаточно. До сих пор остаётся практически .еизученной зона перехода ламинарного режима течения в турбулентный, "аким образом, экспериментальное изучение развития турбулентности и тонкой" структуры турбулентного свободноконвективного пограничного лоя около вертикальной поверхности является весьма актуальным.
Существенную трудность представляют измерения скорости и в ісобенности - её иульсационной составляющей в неизотермических низко-коростных течениях с высоким уровнем пульсаций, к числу которых ітносится свободная конвекция. В настоящее время проблема выбора іетода измерения скорости и измерительной аппаратуры также ещё далека it своего решения и требует серьёзной методической проработки.
Цель работы можно сформулировать следующим образом:
-
Разработка и тестирование методики измерения скорости при помощи термоанемометра в низкоскоростных существенно неизотермических потоках с высоким уровнем турбулентных пульсаций.
-
Разработка методики калибровки термоанемометрических датчиков при малых скоростях в неизотермической воздушной среде.
-
Изучение структуры свободноконвективного пограничного слоя около вертикальной нагретой поверхности на основе измерения полей температуры и скорости. Исследование пристенной области течения..
-
Измерение турбулентного напряжения трения и турбулентного теплового потока с целью выявления особенностей структуры турбулентности, присущих данному типу течений.
-
Исследование особенностей зоны перехода от ламинарного режима течения к турбулентному.
Научная новизна работы заключается в выявлении ряда особенностей развития турбулентности в свободноконвективном течении и структуры турбулентного свободноконвективного пограничного слоя около вертикальной поверхности. Для проведения экспериментального исследования подобных течений разработана новая методика измерения скорости.
Создана специальная калибровочная установка для калибровки термоанемометрических датчиков по скорости и температуре и разработана оригинальная калибровочная процедура.
Определены тепловой поток и напряжение трения на поверхности при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения, измерена толщина теплового и динамического вязкого подслоя, уточнены границы слоя выталкивающей силы и законы изменения скорости и температуры в этом слое.
Измерены профили осреднённых и пульсационных составляющих скорости и температуры в переходной области течения, определены границы этой области. Получены новые данные по распределению пульсационной составляющей двух компонент вектора скорости в зоне турбулентного режима течения, измерены напряжение турбулентного трения и две компоненты вектора турбулентного теплового потока.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась путём использования в опытах современных средств измерения и воспроизводимостью результатов. Кроме того, сравнение результатов тестовых экспериментов с данными других авторов показало хорошее согласование.
Практическая значимость работы заключается в получении новых данных по структуре свободноконвективного пограничного слоя, основным пульсационным характеристикам турбулентности в условиях свободной конвекции. Получены новые данные по распределению напряжения трения
на стенке, определены границы переходной области. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых моделей турбулентности с учётом особенностей свободноконвективного течения.
Технические параметры созданной калибровочной установки 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 защиту выносятся следующие научные результаты:
-
Методика измерения скорости в низкоскоростных существенно неизотермических потоках с высоким уровнем турбулентности, основанная на использовании термокомпенсации сигнала термоанемометра по актуальной температуре.
-
Создание экспериментальной калибровочной установки и разработка методики калибровки датчиков термоанемометра при малых скоростях в неизотермической воздушной среде.
-
Измерение напряжения трения и теплового потока на поверхности при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения в свободноконвективном пограничном слое.
-
Определение границ пристенной области, характеризующейся линейным профилем средней температуры и кубическим профилем средней продольной скорости.
-
Экспериментальное исследование слоя выталкивающей силы в области турбулентного течения.
-
Измерение интенсивности пульсаций температуры и скорости при турбулентном и переходном режимах течения в свободноконвективном пограничном слое.
-
Измерение турбулентного напряжения трения и двух компонент вектора турбулентного теплового потока в зоне развитого турбулентного течения.
8. Определение границ зоны перехода от ламинарного режима
течения к турбулентному на основе различных характеристик потока.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоёмкие технологии для России" (С.-Петербург, 1995), Международном симпозиуме по интенсификации теплообмена в энергетическом машиностроении (Москва, 1995), III Минском международном форуме по теплообмену (Минск, 1996), II Рабочей встрече ERCOFTAC по численному моделированию крупновихревых структур (Гренобль, Франция, 1996), на семинаре по гидроаэродинамике под руководством проф. Ю.В.Лапина в СПбГТУ (С.-Петербург, 1997).
Публикатш. Основные результаты исследования опубликованы в шести работах.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы из 141 наименования. Работа изложена на 237 страницах машинописного текста, содержит 127 рисунков, 11 таблиц и 2 схемы.