Введение к работе
Актуальность темы В современных и перспективных теплоэнергетических установках теплообменное оборудование составляет основную или заметную часть по габаритам, металлоемкости и функциональному значению и во многом определяет общие технико-экономические показатели установок. Таким образом, одним из главных путей повышения экономичности энергоустановок является совершенствование теплообменного оборудования с помощью внедрения эффективных способов передачи тепла. Посредством интенсификации теплообмена увеличивается количество тепла, передаваемого через единицу поверхности теплообмена, и, соответственно, уменьшаются массогабаритные показатели теплообменника, достигается более выгодное соотношение между передаваемым количеством тепла и мощностью, затрачиваемой на прокачивание теплоносителей. Высокое техническое качество интенсифицированного теплообменного оборудования улучшает общие характеристики энергоустановки.
В последние годы большое внимание уделяется вихревой интенсификации теплообмена, в частности применению теплопередающих поверхностей со сферическими углублениями, которые способствуют возникновению крупномасштабных вихревых структур. Особенностью данного способа является наличие режимов течения, при которых интенсификация теплообмена опережает рост гидравлического сопротивления. Причем, при определенных обстоятельствах гидравлическое сопротивление «облуненных» поверхностей может оставаться на уровне гидравлического сопротивления гладкой поверхности. К достоинству данного метода также можно отнести простую технологию изготовления теплообменных поверхностей.
Еще одна интересная особенность «облуненных» поверхностей, как и всех поверхностей с регулярным рельефом, проявляется при обтекании их сверхзвуковыми потоками. В этом случае экспериментально получено снижение равновесной температуры поверхности, при существенной интенсификации теплообмена. Данное обстоятельство позволяет говорить о перспективности использования таких поверхностей еще в одной очень важной области энергетического оборудования - устройствах газодинамической температурной стратификации (труба Леонтьева).
Однако, существует ряд факторов, препятствующих широкому
распространению такого типа интенсификации теплообмена:
несогласованность данных (как экспериментальных, так и расчетных) у различных авторов, проводивших исследования в данной области; сложности при проведении численных исследований дозвукового обтекания «облуненных» поверхностей и практически невозможное в настоящее время проведение расчетов при сверхзвуковых режимах течения. Все эти факторы требуют проведения более тщательных экспериментальных исследований с применением современного высокоточного оборудования.
Актуальность представленной диссертационной работы заключается в том, что исследований теплообмена и сопротивления при сверхзвуковом обтекании рельефных поверхностей с углублениями очень мало, а имеющиеся работы посвящены либо изучению параметров теплообмена, либо только измерению сопротивления. В данной работе представлены новые экспериментальные данные по измерению параметров теплообмена и сопротивления поверхности с регулярно расположенными полусферическими углублениями. Эксперименты проведены с применением современного измерительного оборудования.
Целью данной работы является исследование влияния регулярно расположенных полусферических углублений на параметры теплообмена и сопротивление поверхности при обтекании ее потоком сжимаемого газа. Для этого необходимо решить следующие задачи:
Выполнение обзора опубликованных работ по «луночной» тематике, а также методам измерения поверхностного трения в высокоскоростных потоках.
Выбор методов экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи, восстановления температуры и сопротивления.
Разработка, создание и отладка экспериментального стенда для проведения исследований по выбранным методикам.
Проведение непосредственно экспериментальных исследований и обработки полученных в ходе эксперимента данных.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Создан уникальный экспериментальный стенд, позволяющий в одном эксперименте определять параметры теплообмена (коэффициент теплоотдачи, коэффициент восстановления температуры при сверхзвуковых скоростях потока) и сопротивление рельефных поверхностей, как при дозвуковых, так и при сверхзвуковых скоростях потока.
Предложена и отработана эффективная методика определения параметров теплообмена и сопротивления рельефных поверхностей с применением современного измерительного оборудования.
Получены новые экспериментальные данные по сопротивлению поверхностей с полусферическими и траншейными углублениями в плоском канале при дозвуковых скоростях течения.
Впервые в одном эксперименте получены данные по коэффициентам теплоотдачи, восстановления температуры и сопротивлении одновременно для двух исследуемых поверхностей.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием современных аттестованных средств измерения и апробированных методик определения параметров, расчетом погрешности измерения, согласованием полученных экспериментальных данных с общеизвестными данными (как теоретическими, так и экспериментальными) других авторов.
Практическое значение. Результаты представленных исследований могут быть использованы при проектировании современного высокоэффективного
теплообменного оборудования, исследователями в области численного моделирования для проведения тестовых расчетов (валидации) на существующих, а также вновь разрабатываемых, программных комплексах. Также данные результаты могут быть интересны для разработчиков высокоскоростных летательных аппаратов, подверженных аэродинамическому нагреву, при расчетах тепловых нагрузок. Еще одно направление, где могут быть применены результаты представленных исследований - повышение эффективности устройств газодинамической температурной стратификации (труба Леонтьева). При выполнении поверхностных углублений со стороны сверхзвукового канала длина устройства уменьшается (при заданном количестве передаваемого тепла), при этом снижается и температура охлаждаемого газа (за счет снижения коэффициента восстановления температуры).
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и получили одобрения на 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5, 2010г., МЭИ, г. Москва); на 14-ой международной конференции по теплообмену (14th International Heat Transfer Conference, Вашингтон, США, 2010г.); на 16 и 17-й Школе семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (г. Санкт-Петербург и г. Жуковский, НАГИ, 2007-2009гг.); на 9-ой Международной научной конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Украина, г. Алушта. 2009г.); на конференции «Ломоносовские чтения» (МГУ, Москва, 2009г.); на конференции молодых ученых (МГУ, Москва, 2010г.); на 10-ой международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (Украина, г. Евпатория, 2010г.), на XVI Школе-семинаре «Современные проблемы аэрогидродинамики» (г. Сочи, 2010г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 17 печатных работах в научных изданиях, 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 2 доклада в иностранных издательствах в трудах Международных конференций.
Личный вклад автора состоял в проведении обзора ранее выполненных исследований в области интенсификации теплообмена и в области измерения сопротивления рельефных поверхностей; разработке на основе проведенного обзора и создании экспериментального стенда; проведении серии экспериментальных исследований при дозвуковых скоростях течения потока; проведении экспериментальных исследований и обработке экспериментальных данных по коэффициентам теплоотдачи, сопротивления и восстановления температуры при сверхзвуковом обтекании поверхности с полусферическими лунками; а также подготовке статей и докладов по теме исследования на конференциях и для публикации в рецензируемых журналах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. По
объему работа содержит 136 страниц, включая ПО рисунков и 8 таблиц по тексту диссертации. Библиография имеет 104 наименования. На защиту выносятся:
Методика определения параметров теплообмена (коэффициентов теплоотдачи, коэффициента восстановления температуры для сверхзвуковых скоростей потока режима) и сопротивления рельефных поверхностей.
Результаты экспериментального исследования сопротивления поверхностей с лунками полусферической и траншейной формы в плоском канале при дозвуковых скоростях течения потока.
Результаты экспериментального исследования параметров теплообмена (коэффициентов теплоотдачи, коэффициента восстановления температуры) и сопротивления поверхности с полусферическими углублениями, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха.
