Содержание к диссертации
ОБОЗНАЧЕНИЯ: 6
ВВЕДЕНИЕ 13
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 15
1.1. МЕТОДОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА
ТЕПЛА и МАССЫ в ЭЛЕМЕНТАХ ПТЭС 15
1.1.1. Иерархическое представление 15
1.1.2. Методы исследования и алгоритм решения задачи
1.2. ЭЛЕМЕНТЫ ПТЭС с ОРГАНИЗАЦИЕЙ БЛИЗКОЙ К НЕРАВНОВЕСНОМУ СОСТОЯНИЮ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА 18
1.3. ЗАКОНЫ НЕРАВНОВЕСНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ЭЛЕМЕНТАХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
1.3.1. Законы состояния системы и взаимности 25
1.3.2. Законы энергоэнтропики 28
1.3.3. Применение основных законов энергоэнтропики к гидротермическим аспектам исследований 31
1.3.4. Теоретические модели неравновесной термодинамики, построенные через потоки и силы 32
1.4. ОСНОВЫ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ 36
1.4.1. Понятие пограничного слоя 36
1.4.2. Существующие гипотезы об эффективных свойствах переноса турбулентной жидкости или газа 37
1.4.3. О методах решения дифференциальных уравнений в частных производных для полных теорий турбулентности
1.5. ПРИМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИЙНОГО КРИТЕРИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ УСТРОЙСТВ 42
1.6. ВЫВОДЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЭНТРОПИЙНОЙ ТЕРМОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПТЭС 47
2.1. ОСОБЕННОСТИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ ПРИСТЕНОЧНОГО ТЕЧЕНИЯ 47
2.1.1. Проблемы, связанные с построением уравнений турбулентного пограничного слоя 47
2.1.2. Упрощенная модель пограничного слоя
2.2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОЛЕЙ СКОРОСТЕЙ В ТРУБАХ И КАНАЛАХ ПОСТОЯННОЙ ШИРИНЫ 51
2.3. УТОЧНЁННАЯ МОДЕЛЬ ВЯЗКОГО ПОДСЛОЯ 53
2.4. УРАВНЕНИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ
2.4.1. Уравнения ламинарного пограничного СЛОЯ Л. Прандтля 55
2.4.2. Уравнения турбулентного пограничного слоя 57
2.5. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СИЛОВЫХ И ПОТОКОВЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ПРИ
ТУРБУЛЕНТНОМ ТЕПЛООБМЕНЕ. ТРОЙНАЯ АНАЛОГИЯ 58
2.5.1. Особенности турбулентного теплообмена 58
2.5.2. Закон длины пути перемешивания для теплового пограничного слоя 61
2.5.3. Распределение температуры в вязком подслое 63
2.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 64
2.6.1. Плотности гидравлических сил. Касательные напряжения 64
2.6.2. Эффективные коэффициенты турбулентного обмена 66
2.6.3. Потоки и производство энтропии
2.7. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ О ПРИМЕНИМОСТИ ТЕОРИИ ПОЛЯ В НЕРАВНОВЕСНОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ 70
2.8. К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭНТРОПИИ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 71
2.9. ФОРМУЛИРОВКА СОПРЯЖЕННОЙ ЗАДАЧИ ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ УЧАСТКА
КАНАЛА ОХЛАЖДЕНИЯ СОПЛОВОЙ ЛОПАТКИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 71
2.11. СТРУКТУРА ОТКРЫТОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФУНКЦИИ СОСТОЯНИЯ
2.12. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИСТЕМЫ ЧЕРЕЗ ОБОБЩЁННЫЕ ФУНКЦИИ СОСТОЯНИЯ. 78
2.10. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 79
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТА ПТЭС 80
3.1. ПОСТАНОВКА ЧИСЛЕННОГО КОМПЬЮТЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ РАСЧЕТА ГИДРО- и ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ СОПРЯЖЁННОЙ СИСТЕМЫ "МЕТАЛЛ -ТЕПЛОНОСИТЕЛИ" 80
3.2. АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЭНТРОПИЙНОЙ ЗАДАЧИ СОПРЯЖЕННОЙ СИСТЕМЫ "МЕТАЛЛ-ТЕПЛОНОСИТЕЛИ" 82
3.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ СКОРОСТЕЙ В КАНАЛЕ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ 83
3.3.1. Исходные поля температур системы стенка-канал 83
3.3.2. Определение распределения давления в канале охлаждения 85
3.3.3. Определение безразмерных эпюр скоростей в канале 88
3.3.4. Определение размерных полей скоростей 89
3.4. ВЫЧИСЛЕНИЕ СКОРОСТИ в ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ 92
3.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДВИЖУЩИХ СИЛ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ПОДСИСТЕМЕ 93
3.6. ПОТОКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ПОДСИСТЕМЕ. КАСАТЕЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ШИРИНЕ КАНАЛА 94
3.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ (СВОЙСТВ) СОПРЯЖЁННОЙ СИСТЕМЫ НА НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ 96
3.7.1. Функции кинетических коэффициентов в термической подсистеме.
Коэффициент турбулентной и молекулярной теплопроводности по ширине канала 96
3.7.2. Функции кинетических коэффициентов (свойств) гидравлической подсистемы. Турбулентная и молекулярная динамическая вязкость по ширине канала 99
3.7.3. Функции кинетических коэффициентов (свойств) гидротермической системы. Коэффициенты турбулентной и молекулярной
температуропроводности по ширине канала 100
3.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В СИСТЕМЕ "СТЕНКА-КАНАЛ" В НАЧАЛЬНЫЙ МОМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ 103
3.10. ФУНКЦИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ ПОДОБИЯ НА НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ "СОПРЯЖЁННОЙ СИСТЕМЫ" 105
3.10.1. Критерий Фурье 105
3.10.2. Модифицированный критерий Стантона 106
3.11. ВЫВОДЫ по ГЛАВЕ 108
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СОПРЯЖЕННОЙ СИСТЕМЫ 109
4.1. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ФУНКЦИИ СОСТОЯНИЯ СОПРЯЖЁННОЙ СИСТЕМЫ В
ТЕРМИЧЕСКОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ПОДСИСТЕМАХ 109
4.2. АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ ФУНКЦИИ НЕРАВНОВЕСНОСТИ СОПРЯЖЁННОЙ СИСТЕМЫ 115
4.3. Выводы ПО ГЛАВЕ 118
ГЛАВА 5. ПОСТРОЕНИЕ БЕЗРАЗМЕРНОЙ ОБОБЩЕННОЙ ФУНКЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА 119
5.1. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ФУНКЦИИ СОСТОЯНИЯ ОТ ПАРАМЕТРОВ СОПРЯЖЕННОЙ СИСТЕМЫ, ВЫРАЖЕННЫЕ ЧЕРЕЗ ПОНЯТИЕ "ПОТОКИ И СИЛЫ". 119
5.2. ПРИМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИЙНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛООБМЕННОГО УСТРОЙСТВА 122
5.3. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СООТНОШЕНИЙ КРИТЕРИЕВ ПОДОБИЯ ДЛЯ
ЭНТРОПИЙНОЙ НЕСТАЦИОНАРНОЙ МОДЕЛИ 124
5.4. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ СОПРЯЖЕННОЙ ТЕРМОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 128
5.5. Выводы по ГЛАВЕ 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 137
ПРИЛОЖЕНИЯ 1
Введение к работе
В настоящее время организованные человеком промышленные энергетические технические системы работают на предельных технологических режимах по использованию первичной энергии для совершения необходимой работы и существования технологического процесса. Поэтому с целью контроля расходования энергии нужен обобщенный интегральный энергетический показатель, который учитывает все формы ее преобразований. Тогда по эффективности использования первичных и вторичных источников энергии можно говорить об эффективности развития или деградации рассматриваемой системы.
Множество существующих на рынке преобразователей энергии работают на первичных и вторичных энергоресурсах. При использовании вторичных энергоресурсов доля той или иной формы энергии может меняться. Например, в вихревых теплогенераторах механическая составляющая, полученная из электрической формы энергии практически вся переходит в теплоту. Мощность преобразователей энергии (тепловых двигателей) ограничена температурными и механическими силовыми воздействиями рабочего тела на теплообменные поверхности. Поэтому все насущнее становятся вопросы разработки новых более экономных методов описания объекта исследования работающего на предельных нагрузках. Поскольку энергия - это субстанция, "дающая жизнь" техническому устройству, а энтропия есть обобщенная функция состояния, учитывающая все формы взаимопревращения энергии в данной конструкции, то из условий минимума отклонения энтропии можно формировать режимы работы энергетической системы.
Большинство промышленных энергетических аппаратов представляют собой рекуперативные теплообменники с передачей теплоты через поверхности нагрева, сформированные под той или иной теплоноситель. В такой системе существует два теплоносителя и поверхность нагрева, представленная в виде щелевых каналов разнообразной формы и конфигурации.
В таких изделиях априори существует сопряжённая система "стенка и движущиеся потоки" нагревателя и охладителя. В системе всегда находятся зоны высокоинтенсивного тепломассообмена, которые вносят определяющий вклад в общую долю ресурса всего аппарата. Однако натурный и компьютерный эксперименты довольно трудоемки в своей реализации, как по времени, так и по сложности проводимых расчетов. Поэтому уточнение и создание более универсальных расчетных моделей и на их основе методик моделирования остается одной из актуальных задач способствующих развитию высоких технологий и повышению эффективности в работоспособности конструкций, их обеспечивающих.
Основной задачей данной работы является представление процессов нестационарного тепломассопереноса элемента газотурбинного двигателя, нагреваемого газом с внешней стороны и плоским каналом охлаждения, с турбулентным движением теплоносителя в энтропийной постановке, с выражениями термодинамических потоков и сил.
Конечной целью работы является разработка методики построения нестационарной энтропийной модели элемента промышленной теплоэнергетическтй системы (ПТЭС), которая позволит оценивать влияние тех или иных параметров системы на ее ресурсоспособность, не прибегая в будущем к сложным расчетам сопряженных систем. Настраивая параметры модели, можно определять наиболее энергоэффективный режим работы с целью улучшения технологических и энергосберегающих характеристик теплоиспользующих систем.
Автор выражает признательность научному руководителю, доктору технических наук, профессору В.И. Игонину, а также профессорам B.C. Грызлову, Н.Н. Синицыну, З.К. Кабакову, Ю.А. Калягину, Р.С. Прасолову, Ю.Р. Осипову за ценные замечания, сделанные при подготовке данной работы.
