Введение к работе
Актуальность теим. В настоящее время решение актуальной задачи защиты энергонапряженных поверхностей от действия высоких тепловых потоков является одной из наиболее важных проблем, которая достигается за счет дальнейшего исследования методов и способов интенсификации процессов охлаждения в тепловых энергоустановках.
При проектировании ракетных двигателей одним из основных требований является создание высоких удельных параметров, которые получаются с использованием высокоэнергетических топлив, при сжигании которых образуются продукты сгорания с высокими температурами.
Изменение геометрии камеры на участке критического сечения является наиболее теплопапряженным местом и требует применения высокоэффективного пористого охлаждения, что стало возможным благодаря развитию современных технологий изготовления пористых материалов, сдерживающих как значительно большие температуры, так и давления.
В настоящее время появилось поколение мощной компьютерной
техники, которое дает возможность совместно с аналитическими и
численными методами моделировать интенсификацию процессов
тепломассопереноса в задачах пористого охлаждения, в том числе с учетом установившейся нестацнонарности, дву- и трехмерности, нелинейности и других немаловажных факторов, приближающих изучаемые процессы к реальным.
Только благодаря фундаментальным трудан и научным работам А.В. Лыкова, А.И. Леонтьева, В.М. Поляева, Б.М. Галицейского, Ю.В. Полежаева, A.M. Архарова, Г.А. Дрейцера , А.В. Сухова, В.В. Фалеева и многих других выдающихся ученых стало возможным решать большой круг вопросов тепловой защиты поверхности, включающей я пористое охлаждение, как компоненты комбинированной системы охлаждения энергоустановки. Между тем достижения науки в области моделирования процессов тепломассопереноса в пористых средах продвигают к новым исследованиям сути явления и созданию методов исследования, имеющих новизну я практическую значимость, поэтому дальнейшее развитие настоящей темы диссертации является новой и актуальной .
Данная работа выполнялась по комплексному плану научно-исследовательских работ Воронежского государственного технического университета (гос. per. № 01890014250 ) и в соответствии с инновационной научно-технической программой ( приказ ГК РФ по высшему образованию №386 от 22.06.92).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является дальнейшее развитие и разработка методов математического моделирования нестационарных задач тепломассопереноса в пористых элементах систем охлаждения, позволяющих повысить эффективность и надежность работы энергоустановок.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи :
1.Разработка приближенного аналитического метода расчета нестационарного переноса тепла через плоскую пористую стенку при различных граничных условиях на основе однотенпературной модели. Определение оптимального расхода охладителя для поддержания допустимого теплового режима ПТЭ.
2.Разработка метода численного моделирования нестационарных двумерных, двухгемлературиых задач совместного тепломассопереноса, основанного на опытных данных о поле давлений в пористом материале (ИМ).
3.Проведение компьютерных экспериментов и сопоставление полученных численных данных с экспериментальными результатами других авторов.
4.Практическая реализация разработанных в диссертации методов. Моделирование теплового состояния пористой вставки как элемента конструкции энергоустановхи.
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем :
1 .Разработан метод расчета переноса тепла для нестационарного процесса пористого охлаждения при различных граничных ( смешанных ) условиях, позволяющий определять оптимальный расход охладителя в соответствии с тепловым состоянием элементов конструкции энергоустановки полуобратным методом - в начальной приближении расход определяется исходя из решения задачи теплопереноса для постоянного значения расхода, а в следующих приближениях уточняется до достижения температуры огневой стенки предельно допустимого значения. Решение основано па методе , приводящем к задаче теплопроводности с движущимися границами.
2.Приведен численный метод расчета двумерных, двутемпературных, нестационарных задач пористого охлаждения , базирующийся на экспериментальных данных о распределении поля давления в пористой матрице.
3.Составлены алгоритмы и программы для расчета температурных полей в вычислительной среде " Math lab ".
Достоверность результатов. Основные выводы я положения диссертации учитывают физические основы исследуемых процессов. В
работе использованы: аналитический метод теории теплопроводности, преобразующий исходную область к области с движущимися границами; задача о пористом оглаждеяии плоской стенки решается исходя о допущении одиотемпературяой недели с применением уравнения теплопроводности , результатом которого являются интегральные уравнения Вольтерра; численный метод Мак - Корнака ( конечные разности ) и апробированная вычислительная среда " Mathlab ".
Адекватность математических моделей подтверждается
удовлетворительным согласованием с экспериментальными данными других авторов.
Практическая значимость и реализация результатов.
Результаты диссертационного исследования дают возможность :
1.Моделировать эффективность охлаждения теплонапряженных элементов энергоустановок на основе аналитике - численного решения уравнений переноса тепла в пористых телах с различной геометрией и с учетом коэффициента межфазной теплоотдачи , что позволяет на стадии проектирования более точно прогнозировать работоспособность пористых элементов систем охлаждения с учетом оптимального расхода охладителя .
2.0ценивать рациональность применения одно - и двухтеипературных моделей пористого охлаждения при моделировании нестационарных тепловых состояний пористых компактных теплообменников .
3.Применять разработанные в диссертации методы при расчете охлаждения участка камеры теплового ракетного двигателя, использующего вдув с пористой поверхности как защиту массопереносом.
Разработанные методы решения и математические модели используются в проектной в расчетной практике ОАО "Воронежпресс" (г. Воронеж ).
Материалы диссертации внедрены и используются в учебном процессе кафедры промышленной теплоэнергетики при чтении курса "Техническая термодинамика " в Воронежском государственном техническом университете.
Апробация работы. Материалы и результаты, выполненных по теме диссертации исследований докладывались и обсуждались на молодежной научной конференции " Гагаринские чтения "(Москва 1997, 1999); Региональном межвузовском семинаре Центрально - Черноземного региона "Процессы теплообменав энергомашиностроении "( Воронеж , 1996 - 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ .
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 110 страницах и состоит из введения, четырех глаз, основных выводов и списка литературы из 97 наименований. Работа содержит 30 рисунков и 5 таблиц.