Введение к работе
Актуальность. Исследование неизотермических гидродинамических систем в переменных силовых полях обосновано разработкой вибрационных методов управления и контроля тепломассопереносом. Эксперимент занимает здесь особое место: позволяет обнаруживать новые эффекты. Влияние вращения на ос-редненную тепловую конвекцию является новым и малоизученным научным направлением. Выполненные исследования расширяют знания о роли статических внешних силовых полей в тепловой конвекции во вращающихся системах.
Целью работы является экспериментальное исследование теплопереноса во вращающихся полостях. Изучается:
порог возникновения осредненной тепловой конвекции в горизонтальном коаксиальном зазоре, вращающемся вокруг собственной оси;
теплоперенос и структуры течения в надкритической области параметров;
конвекция тепловыделяющей жидкости во вращающемся горизонтальном цилиндре;
движение жидкости, вызванное вращающимся силовым полем.
Научная новизна. В работе впервые с позиции вибрационной механики экспериментально исследованы:
осредненная тепловая конвекция жидкости в горизонтальном коаксиальном
зазоре, вращающемся вокруг собственной оси. Изучен порог возбуждения
конвективных течений и их структура, а также теплоперенос в надкритиче
ской области. Обнаружено, что конвекция возникает вне зависимости от то
го, внутренняя или внешняя граница слоя имеет более высокую температуру,
проявляется в пороговом развитии вытянутых вдоль оси вращения валов и
определяется двумя различными механизмами. При подогреве слоя снаружи
определяющую роль играет центробежный механизм конвекции, диаметр
конвективных валов при этом сравним с толщиной слоя. В случае, когда бо
лее высокую температуру имеет внутренняя граница слоя (центробежная си
ла инерции при этом играет стабилизирующую роль), развитие осредненной
конвекции связано с действием термовибрационного механизма. В основе
последнего лежат колебания неизотермической жидкости относительно полости, вызываемые силой тяжести. Волновое число виброконвективных структур в несколько раз меньше волнового числа структур, возникающих в условиях центробежной конвекции. Возбуждение продольных валов термовибрационной природы сопровождается регулярными колебаниями температуры в слое. Показано, что колебания связаны с дрейфом системы конвективных структур относительно полости. Дрейф валов определяется сносо-вым азимутальным движением всего слоя жидкости и в основе имеет вибрационную природу.
конвекция тепловыделяющей жидкости во вращающемся горизонтальном цилиндре. При быстром вращении полости осредненная конвекция отсутствует. Пороговое повышение теплопереноса наблюдается при понижении скорости вращении. Оно связано с появлением системы вихревых ячеек. Показано, что конвекция определяется термовибрационным механизмом в условиях стабилизирующего действия центробежной силы инерции. Изучены порог возникновения осредненнои тепловой конвекции, структура потоков и теплоперенос в надкритической области.
поведение горизонтального слоя жидкости со свободной поверхностью во вращающемся силовом поле (при вибрациях круговой поляризации). Изучены условия возникновения и структура осредненного движения жидкости. Обнаружено, что при воздействии с резонансной частотой даже вибрации малой амплитуды приводят к возбуждению осредненных потоков значительной интенсивности.
Автором выносится на защиту:
результаты экспериментального исследования осредненнои тепловой кон
векции жидкости в горизонтальном коаксиальном зазоре с изотермическими
границами, равномерно вращающемся вокруг собственной оси:
определение порога возбуждения конвективных течений;
изучение теплопереноса в зависимости от скорости вращения кюветы и разности температур границ при нагреве слоя изнутри или снаружи;
изучение структуры течений в надкритической области параметров;
анализ дрейфа виброконвективных структур;
результаты экспериментального исследования конвекции тепловыделяющей
жидкости во вращающемся горизонтальном цилиндре:
определение границы устойчивости квазиравновесия;
изучение структуры течений и теплопереноса в зависимости от скорости вращения полости и мощности тепловыделения;
результаты экспериментального исследования движения жидкости во вра
щающемся силовом поле:
изучение зависимости интенсивности осредненных течений от параметров вибраций;
изучение зависимости резонансной частоты колебаний жидкости от относительного наполнения полости.
Достоверность результатов обеспечивается использованием апробированных и современных методов измерения и обработки данных, детальным и систематическим изучением, согласием полученных результатов с известными экспериментальными и теоретическими результатами других авторов.
Научная и практическая ценность работы. Исследования носят как фундаментальный, так и прикладной характер. Вращающееся силовое поле (вращение полости в статическом внешнем силовом поле) - распространенное явление в природе и технике. Актуальным и оригинальным является то, что тепловая конвекция в этих случаях рассматривается с позиции вибрационной механики. Результаты исследований способствуют развитию теории вибрационной тепловой конвекции и могут быть полезными, в частности, при изучении влияния массивных естественных спутников на процессы в ядрах и атмосферах планет. Выполненные исследования актуальны для космических технологий, поскольку в условиях невесомости влияние осциллирующих силовых полей на конвекцию особенно велико. В поле силы тяжести вращение вокруг горизонтальной оси вызывает колебания неизотермической жидкости в полости, что может возбуж-
дать осредненную конвекцию даже в условиях стабилизирующего действия центробежной силы инерции. Результаты исследований могут служить основой для разработки новых способов генерации движения, управления тепломассо-переносом.
Публикации. Результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-14]. Работа [5] выполнена и опубликована диссертантом лично. В остальных работах исследования и обработка результатов проведены диссертантом (в [8, 9, 13] в экспериментах принимал участие Сабиров P.P.), анализ осуществлен совместно с соавторами.
Апробация работы. По материалам диссертации имеется 14 публикаций. Основные результаты работы докладывались на: 15-ой и 16-ой Зимних школах по механике сплошных сред (Пермь, 2007, 2009), 13-ой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007), 37-ой и 38-ой Международных летних школах «Advanced Problems in Mechanics» (С-Петербург, 2009, 2010), 11-ом Национальном конгрессе теоретической и прикладной механики (Болгария, 2009), 61-ом Международном астрономическом конгрессе (Чехия, 2010), Пермском гидродинамическом семинаре.
Содержание и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих результаты исследований, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 125 страницы с рисунками (55) и списком литературы (94 наименования).
Похожие диссертации на Экспериментальное исследование тепломассопереноса во вращающихся полостях
