Введение к работе
"
Актуальность темы
В реальных устройствах, таких как системы трубопроводов компрессоров, камерах сгорания жидко- и твердотопливных ракетных двигателей, парогенераторах, тепловых контурах АЭС, могут возникать сильные нелинейные колебания. Они увеличивают местные коэффициенты теплоотдачи, механические и тепловые напряжения, что может приводить к разрушению элементов конструкций.
С другой стороны, нелинейные колебания могут существенно интенсифицировать горение, повышать теплонапряженность топочных камер (как это происходит в камерах вибрационного горения), улучшать тепло- и массообмен, снижать гидравлическое сопротивление. В настоящее время генераторы интенсивных нелинейных колебаний нашли широкое применение для очистки поверхностей нагрева котлоагрегатов, используются для нанесения покрытий, а также при распылении жидкости в промышленной экологии.
Колебания в вышеупомянутых сложных системах обычно генерируются сочетанием более простых источников возбуждения, как поршень, периодический тепло- или массоподвод, набегающая в трубу струя. Кроме того, может возникать обратная связь между колебаниями параметров газа и тепломассоподводом, и, таким образом, колебания могут становиться самовозбуждающимися.
Изучение нелинейных колебаний и процессов, происходящих под воздействием таких сложных колебаний, представляет значительные математические трудности. Поэтому актуальным является разработка методики исследований резонансных нелинейных колебаний, возникающих в более простых системах, в частности, в трубе, на одном конце которой находится гармонически колеблющийся поршен, а другой закрыт или сообщается с окружающей средой. Также представляют прикладной интерес колебания газа, которые генерируются гармонически колеблющимся поршнем и неравномерным температурным полем .
Цель работы
исследование продольных нелинейных колебаний в открытой трубе, моделирование нелинейности открытого конца;
исследование резонансных колебаний в закрытой трубе, учет потерь при таких колебаниях;
расчет акустотермических эффектов при наличии неравномерного
температурного поля. ;
3'
Научная новизна:
разработана методика расчета распределений скорости и давления в от
крытой трубе с учетом генерации высших гармоник, возникающих из-за
нелинейностей среды вблизи поршня, внутри трубы и на открытом кон
це, которая не требует привлечения эмпирических параметров;
' исследовано влияние диссипативных потерь на амплитуду колебаний
скорости газа в закрытой трубе и определены условия, при которых основными механизмами потерь являются нелинейность и турбулентность потока;
разработана методика расчета амплитуды колебаний давления при резонансных колебаниях газа в закрытой трубе при слабой диссипации;
экспериментально исследован переход от непрерывных колебаний к ударным волнам вблизи линейного резонанса, проведено сравнение развитой теории и эксперимента;
изучено влияние неравномерного температурного поля на величину теплового потока при акустотермическом эффекте, сопровождающем резонансные нелинейные колебания газа в закрытой трубе;
исследовано влияние осевого бесконечного градиента температуры на
. амплитуду колебаний газа в трубе в резонансном режиме.
Теоретическая и практическая значимость. Развитые методы расчета позволяют составить представление о сложных газодинамических процессах, происходящих при возбуждении нелинейных резонансных колебаний в трубах. Полученные теоретические результаты могут служить основой для расчетов процессов в различных энергетических устройствах, в которых наблюдается вибрационное горение (ЖРД, парогенераторы и т.п.). Пульсирующая высокоскоростная струя может быть использована и используется при создании струйных насосов, например, в установках очистки газопылевых выбросов, в установке для сушки дисперсных мате-^)иалов7"Результатыгисследования-акустотермических-эффектов^1ри-резо-— нансных колебаниях газа в трубе могут стать основой для разработки инженерных методов расчета перспективных холодильных систем,- реализующих волновые методы получения холода.
Обоснованность и достоверность. Предложенные в диссертационной работе методики расчета и вытекающие из них результаты основаны на фундаментальных законах и уравнениях механики жидкости и газа, а также физически естественных допущениях. Обоснованность и достоверность подтверждаются также сравнением полученных результатов с экспериментальными данными ранее выполненных работ других авторов и результатами настоящего эксперимента.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались: на 5, 7, 8 Научно-технических семинарах «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика» (Казань, 1993, 1995,1997гг.), I Международной (X Зимней) школе по Механике сплошной среды (Пермь, 1995г.), II Республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов (Казань, 1996г.), конференции «Акустика неоднородных сред-4» (Новосибирск, 1996г.), Международной конференции «Математические модели и численные методы МСС» (Новосибирск, 1996г.), IV Всероссийской, V Международной конференциях «Нелинейные колебания механических систем» (Н.Новгород, 1996, 1999гг.), Международной конференции «Модели механики сплошной среды, вычислительные технологии и автоматизированное проектирование в авиа- и машиностроении» (Казань, 1997г.), Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 1999г.), на Итоговых научных конференциях Казанского университета, Института механики и машиностроения КНЦ РАН (1995-1998гг.), на научных семинарах кафедры молекулярной физики Казанского университета (1993-1999гг.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации 137 стр., в том числе 23 рисунка, расположенных по тексту, и список литературы на 8 стр., включающий 126 наименований.