Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор 10
1.1. Нестационарные режимы работы энергетического оборудования... 10
1.2. Исследование теплообмена и трения в нестационарных условиях ... 17
1.3. Диагностика нестационарных процессов 29
1.4. Выводы по обзору литературы 34
ГЛАВА 2. Экспериментальное оборудование. подготовка и проведение опытов. обработка результатов и оценка ихточности 35
2.1. Экспериментальная установка 35
2.2. Опытный участок 40
2.3. Диагностическое оборудование 43
2.4. Экспериментальные исследования 45
2.4.1. Предварительные отладочные эксперименты 46
2.4.2. Динамические характеристики преобразователей температуры и давления 47
2.4.3. Градуировка датчиков трения "трубка-выступ" 52
2.4.4. Методика проведения нестационарного эксперимента 55
2.5. Оценка точности результатов экспериментальных исследований... 56
ГЛАВА 3. Характеристика эксперимента и методика обработки опытных данных 61
3.1. Характеристика эксперимента 61
3.2. Методика обработки опытных данных 67
ГЛАВА 4. Анализ результатов экспериментальных исследований трения и теплоотдачи в неизотермическом нестационарном пограничном слое 75
4.1. Результаты экспериментальных исследований по трению 75
4.1.1. Исследования при увеличении температуры потока 75
4.1.2. Исследования при постоянстве температуры потока 87
4.2. Результаты экспериментальных исследований по теплоотдаче 96
4.2.1. Исследования при увеличении температуры потока 96
4.2.2. Исследования при постоянстве температуры потока 108
Основные результаты и выводы 117
Литература 119
Приложение 135
- Исследование теплообмена и трения в нестационарных условиях
- Диагностическое оборудование
- Методика проведения нестационарного эксперимента
- Исследования при постоянстве температуры потока
Введение к работе
Интенсивное развитие промышленности, совершенствование технологий и конструкций технологических аппаратов, расширяют круг задач на стадии проектирования. Режимы движения рабочих сред в проточных элементах теплоэнергетических установок, как правило, характеризуются неизотермичностью, динамической и тепловой нестационарностью. Неучет указанных возмущающих факторов приводит к существенным ошибкам при конструировании, выборе режимов функционирования, разработке систем контроля, автоматического регулирования и учета энергоресурсов.
В настоящее время имеется достаточное количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованиям неизотермических стационарных течений [4, 9, 64, 65, 66, 67, 77, 105, 117 и др.], работ по исследованию нестационарной теплоотдачи в цилиндрических каналах, когда тепловые потоки направлены от стенок канала к газу [10, 13, 47 -*- 52, 59, 60, 70, 72, 73, 145], и лишь единичными публикациями [76, 78, 90, 122] представлены исследования влияния динамической нестационарности на коэффициенты трения и теплоотдачи при резком изменении начальных условий. Следует также указать на недостаточную изученность вопросов, связанных с совместным влиянием неизотермичности, динамической и тепловой нестационарности на начальном динамическом и тепловом участке течения. Эти вопросы по отношению к коэффициентам теплоотдачи решались в работах [31, 32, 33, 55, 63, 100, 124, 129, 130, 138, 139, 140, 142].
Во второй половине XX века получили распространение параметрические методы исследования и расчета пограничного слоя, построенные на базе полуэмпирических теорий [80, 82, 85, 109, 124, 129, 130]. Суть этих методов состоит в аналитическом и экспериментальном изучении воздействия конкретного дестабилизирующего фактора на коэффициенты трения и теплоотдачи с последующим синтезом явления и установлении корреляционных связей между ними.
Актуальность проблемы. В современных энергетических установках и технологической аппаратуре большую роль играют нестационарные процессы. Знание механизма их протекания, умение надежно прогнозировать структуру, рассчитывать гидравлические потери и теплоотдачу необходимы как при проектировании энергетических установок и технологической аппаратуры, так и при разработке надежных систем контроля и автоматического управления. Наличие эффектов нестационарности обусловлено неустойчивостью, периодичностью, а также спецификой функционирования технологических аппаратов. Нестационарность приводит к существенному отклонению параметров течения и теплообмена и может существенно изменить протекание динамических, тепловых, массообменных и химических процессов. Поэтому исследование нестационарной динамики и теплообмена при турбулентном течении газообразных сред на начальном участке канала представляет актуальную прикладную задачу.
Цель работы. Провести комплексное экспериментальное исследование по изучению влияния совместного воздействия тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности на параметры потока и коэффициенты трения и теплоотдачи при различной интенсивности увеличения температуры теплоносителя и постоянстве его массового расхода на начальном участке цилиндрического канала, для чего:
выполнить анализ влияния каждого из дестабилизирующих факторов на характеристики динамического и теплового турбулентного пограничного слоя и на течение и теплоотдачу в целом;
выявить закономерности и определить величину изменения параметров течения и теплоотдачи при воздействии перечисленных дестабилизирующих факторов;
подготовить опытный участок, средства измерения и регистрации для выполнения экспериментальных исследований в нестационарных режимах и отработать соответствующие методики, алгоритмы и программы проведения
8 предварительных и основных экспериментов и обработки результатов измерений.
Научная новизна. Проведено комплексное исследование развития нестационарного неизотермического течения и теплоотдачи газового потока на начальном участке цилиндрического канала при различных режимах резкого увеличения температуры теплоносителя и постоянстве его массового расхода. Получена новая экспериментальная информация о совместном влиянии тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности на коэффициенты трения и теплоотдачи и параметры потока, а именно, экспериментально установлено 2-х - 3-х кратное увеличение коэффициентов трения и теплоотдачи, вызванное влиянием нестационарности при увеличении температуры газового потока, а таюке впервые зафиксировано, что в пусковых режимах энергетических установок увеличение скорости изменения температуры рабочего тела более 3000 Юс приводит к снижению интенсивности теплоотдачи.
Практическая ценность. Проведенные экспериментальные
исследования трения и теплоотдачи в условиях динамической и тепловой нестационарности и неизотермичности позволили выявить ряд новых особенностей протекания указанных процессов в сложной термогазодинамической ситуации. Зафиксированное в пусковых режимах энергетических установок увеличение скорости изменения температуры рабочего тела более 3000 К/с приводит к снижению интенсивности теплоотдачи. Результаты исследований могут быть применены для определения параметров теплоотдачи и сопротивления трения при тепловых и газодинамических расчетах различных технологических аппаратов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, приложения.
В первой главе рассмотрены нестационарные режимы работы энергетического оборудования, работы, посвященные исследованию
9 теплообмена и трения в нестационарных условиях, а также вопросы, связанные с диагностикой нестационарных процессов.
Во второй главе описываются экспериментальная установка, опытный участок, диагностическое оборудование, методики подготовки и проведения экспериментов, проведена оценка точности измерений.
В третьей главе приводится характеристика эксперимента и методика обработки опытных данных.
В четвертой главе проводится результаты экспериментальных исследований трения и теплоотдачи в неизотермическом нестационарном пограничном слое. Анализ выполнен в двух временных интервалах — при резком увеличении температуры газового потока и при его постоянстве..
Настоящая работа, выполненная в Казанском государственном энергетическом университете и представляющая собой завершенную научно-исследовательскую работу, посвящена изучению нестационарных процессов трения и теплоотдачи при турбулентном течении газа в осесимметричной трубе в зоне формирования динамического и теплового пограничных слоев. Комплексные исследования выполнены на специально созданном газодинамическом стенде в широком диапазоне изменения факторов неизотермичности, динамической и тепловой нестационарности. Полученные результаты внедрены в практическую деятельность промышленных предприятий.
Исследование теплообмена и трения в нестационарных условиях
В настоящее время значительно возрос интерес к нестационарным явлениям, происходящим при течении рабочей среды в различных каналах. Такие случаи довольно часто встречаются в самых разнообразных теплообменных процессах. Кроме того, в последнее время разработан ряд аппаратов, где фактор нестационарности значительно повышает интенсивность теплоотдачи, тем самым улучшая многие параметры теплообменных устройств. Наиболее часто в качестве основного возмущающего фактора выступает изменение температуры обтекаемой поверхности или основного потока. И в том и другом случае эволюция температуры, приводя к изменению теплофизических свойств среды, порождает и динамическую нестационарность. Причем картина явления часто осложняется значительными изменениями за счет высокой неизотермичности. Экспериментальным исследованиям по эволюции коэффициента теплоотдачи в условиях изменения температуры стенки посвящена статья [28], Авторы делают вывод, что в случае нагрева теплоносителя стенкой, т.е. при ——)0, на конвективный теплообмен накладываются воздействия dt нестационарных эффектов процесса, что приводит к росту коэффициента а по отношению к своему стандартному аналогу. В работе подтверждается предположение о квазистационарном влиянии Re на Nu, но, в то же время, отмечено влияние температурного фактора.
Следовательно, отклонение законов нестационарной теплоотдачи от зависимостей, полученных при отсутствии Т возмущающих воздействий, есть результат влияния не только Кт, ной—. Tf Обстоятельные экспериментальные исследования, проведенные в работах [48, 49, 59 - 61, 145] по изучению тепловой нестационарности в условиях изменения тепловой нагрузки на обтекаемой поверхности и в основном потоке, были обобщены в [71]. Результаты опытов для частичных скачкообразных увеличения и уменьшения (рис. 1.3 а), а также для плавного изменения (рис. 1.3 б) температуры на стенке канала приведены к параметру тепловой нестационарности Кт. Причем, исследуя влияние различных факторов, делается вывод о том, что в турбулентных потоках коэффициент теплоотдачи не зависит от закона изменения температуры потока на обтекаемой поверхности Tw, а является функцией от ее первой производной по времени, что объясняется коротким для турбулентных течений временем влияния предыстории изменения Tw на процесс теплоотдачи. Следовательно, экспериментальная информация может быть аппроксимирована зависимостями ) Эксперименты, проведенные по исследованию нестационарной теплоотдачи при использовании в качестве возмущающего фактора изменение температуры основного потока, показали, что их возможно обобщить критерием KTg вида Кроме того, показано, что с увеличением числа Re/ при прочих равных условиях влияние нестационарности уменьшается, а влияние температурного фактора ф/; противоположно, т. е. при уменьшении ФЙ и постоянных Re и Krg величина отношения снижается. Такое влияние Re на процесс авторы объясняют тем, что с его ростом турбулизация потока увеличивается, уменьшая относительный вклад переноса тепла за счет нестационарной теплопроводности.
Воздействие фактора неизотермичности ФИ потока при нестационарном процессе ослабляет её влияние на процесс за счет более резкого падения температуры и роста плотности на оси по сравнению со стенкой канала, что вызывает радиальные потоки к оси, препятствующие теплообмену. В работе [120] для экспериментального исследования эволюции коэффициента теплоотдачи жидкости в трубе при изменении тепловой нагрузки автор использует приведенный коэффициент нестационарной теплоотдачи где а - коэффициент теплоотдачи в неустановившемся режиме, а ао — в квазистационарном. Полученные из эксперимента коэффициенты теплоотдачи сравнивались с квазистационарными, полученными по эмпирической зависимости
Диагностическое оборудование
В процессе выполнения экспериментальных исследований производились измерения следующих параметров: 1) расхода рабочего тела G ; 2) температуры 7о потока на оси на входе в канал при X— x/D = 0; 3) температуры Tw стенки в сечениях с координатами Х= 0,5; 2,5; 4,5; 6,5; 4) полного давления Р0 потока в форкамере; 5) статического давления и пристеночных касательных напряжений трения в сечениях канала с координатамиX— 2,5; 4,5; 6,5. В опытный участок подавался воздух при постоянном массовом расходе, контроль за которым выполнялся расходомером критического перепада давления (известного критического сечения FKp) И определялся по измеренным значениям давления PQ и температуры Г0 торможения перед мерной диафрагмой и барометрического давления формулой [1] где a - коэффициент расхода диафрагмы; т = 0,3965 для воздуха. В процессе выполнения отладочных экспериментов давление окружающей среды измерялось лабораторным барометром, давление до и после мерной диафрагмы — образцовыми манометрами (класс точности 0,4), а температура перед диафрагмой - лабораторным термометром с ценой деления шкалы 0,1 С. С целью уменьшения эрозии катода плазмотрона в зону дуги подался аргон. Его расход определялся также расходомером критического перепада давления и составлял 1,5 - 2,0% от расхода воздуха. В приосевой области потока измерялась температура рабочего тела хромель-алюмелевой термопарой. Эта термопара изготавливалась из термоэлектродов диаметром 65-10"6 м методом сварки при помощи угольного электрода. Для измерений применялись термопары, имеющие размер спая, равный диаметру электродов термопар. При измерении температуры стенки опытного участка использовались хромель-копелевые микротермопары с диаметром термоэлектродных провов D = 65-10"6 м.
При изготовлении этих микротермопар их рабочие концы раскатывались твердыми цилиндрами до толщины 2-Ю"5 м на длине примерно 1,5-10"3 м. После раскатки эти концы термоэлектродов приваривались конденсаторной сваркой к наружной поверхности опытного участка на расстоянии 8-10"4 м друг от друга (рис. 2.7). Статические давления, давления на датчиках трения «трубка-выступ» и полное давление в форкамере при стационарных режимах течения рабочего тела измерялись микроманометрами MMH-I со спиртовым заполнением. Трубка полного напора, выполненная согласно рекомендациям [103] из трубки из нержавеющей стали с наружным и внутренним диаметром соответственно 6,5-10"4м и 4-Ю"4 м имет форму типа «лебединой шеи». Микротрубка Пито с приемным отверстием 4-Ю"4 м и; температурный зонд с хромель-копелевой микротермопарощ поперечный размер рабочего спая которой не превышал 2-10"4м, применялись при определении на входе в опытный; участок профилей скоростей- и температур. Цифровой вольтметр ВК2-20 регистрировал выходной сигнал температурного зонда: Трубка Пито и зонд перемещались при помощи специальных координатных устройств. Вшроцессе изучения нестационарных режимов,течения многоканальная измерительная система регистрировала все перечисленные параметры потока. Каналы, измеряющие давления, представляли собой следующую измерительную цепь: индуктивные дифференциальные малогабаритные датчики давления ДМИ ОД-З, преобразователи УГ-УМ модуль сбора ADAM 4019;
Датчики давления; ДМИ-ОД-2, согласно паспортным- данным; предназначены для измерения быстроменяющихся- давлений в диапазоне ± 10 кПа, при основной погрешности не более ±3% и имеют амплитудную динамическую погрешность не более ±5% в диапазоне частот пульсаций измеряемой7 величины от 0 до 500 Гц. Равномерная полоса пропускания датчиков без фазовых и амплитудных искажений достигает до 600 Гц. Датчики имеют резьбовые штуцеры М . 3x0;5 для пристыковки к месту отбора давления. УГ-УМ — трехканальный преобразователь предназначенный для питания датчиков ДМИ и последующего преобразования выходных сигналов ДМИ перед вводом в ИВК. УГ-УМ имеет равномерную полосу пропускания от 0 до 1000Гц. Выполненные экспериментальные исследования состояли из двух этапов: предварительные отладочные эксперименты; 2) проведение нестационарного эксперимента, заключающегося в определении локальных коэффициентов трения и теплоотдачи в различных контрольных
Методика проведения нестационарного эксперимента
Перед проведением экспериментальных исследований в нестационарных условиях выполнялась проверка работоспособности системы измерения и градуировок каналов измерения температуры и давления. Для проверки градуировок по каналам температуры использовался переносной потенциометр типа ПП-63 в режиме источника регулируемого напряжения, имитировавший эдс микротермопар, и цифровой вольтметр ВК2-20. В п. 2.2 при описании опытного участка показано, что места отбора импульсов давления имеют два штуцера - один для присоединения микроманометра ММН-1, другой — для датчика ДМИ-0,1-2. Проверка градуировок выполнялась по всем каналам, измеряющим давление (полное давление Ро, статические давления Р{ в соответствующих контрольных сечениях опытного участка, перепады давления ЛРТР,- на датчиках трения «трубка-выступ») поочередно. Источником давления служило специальное сильфонное устройство, величина давления в котором изменялась с помощью винтовой пары. Регистрировались сигналы давления двумя способами - по показаниям микроманометра ММН-1 в мм водяного столба и датчиками ДМИ-0,1-2 на PC. При этом на усилителях УГ-УМ выставлялись необходимые коэффициенты усиления. По окончании проверки градуировок по-канально выполнялось несколько стационарных холодных продувок в рабочем диапазоне чисел Re. Перекрывались импульсные линии, соединяющие отборные устройства с микроманометрами. На реле времени устанавливалось время работы плазмотрон - 0,5 секунды. Задавалось соотношение расходов между подачей холодного воздуха в плазмотрон и форкамеру, устанавливался необходимый расход воздуха и аргона и затем включался плазмотрон. По истечении установленных на реле времени 0,5 секунды плазмотрон автоматически отключался, подача воздуха и аргона прекращалась. Практическая ценность результата изучения физического явления определяется степенью его достоверности и характеризуется точностью измерения.
Погрешности прямых и косвенных результатов измерений зависят от точности поддержания режимных параметров в процессе опытов и от метрологических характеристик используемой измерительной аппаратуры. Определим погрешности основных изучаемых физических величин в соответствии с нормативными документами [36 — 42], пользуясь методикой изложенной в работах [19, 115]. Погрешности прямых линейных измерений длины секции опытного участка, её диаметра и высоты датчика «трубка-выступ» приведены в таблице 2.1. Погрешность температуры Го газового потока определяется точностными характеристиками средств измерения, образующих измерительный канал из термопары и регистрирующего прибора. Согласно ГОСТ 3044-77 погрешность хромель-алюмелевой термопары не превышает 0,28 мВ (для ТХА в диапазоне от - 50 до + 900С) или а т = 0,74%. Тогда, суммарная среднеквадратичная погрешность для измерительного канала температуры То газового потока составит величину В таблице 2.2 приведены погрешности прямых измерений температуры Г0 газового потока и температуры Tw стенки канала. Измерительный канал при определении перепадов давлений в нестационарных условиях состоит из датчика ДМИ, нормирующего преобразователя УГ-УМ, модуля ADAM 4019. Погрешность датчика ДМИ одр формируется при выполнении градуировки датчика, которая проводилась совместно с нормирующим преобразователем УГ-УМ по микроманометру ММН-1 и не превысила 2% (таблица 2.3).
Погрешность ADAM 4019 не хуже ±0,1. Подытоживая, получаем суммарную среднеквадратичную погрешность Погрешности при определении плотности и динамического коэффициента вязкости ц. определялись исходя из условий эксперимента. Погрешность при расчете плотности по уравнению состояния составила При определении динамического коэффициента вязкости \х его погрешность складывается из погрешности при измерении температуры То газового потока и погрешности при определении динамического коэффициента вязкости в стандартных условиях оцо Координаты Престона вычислялись с погрешность расчете касательные напряжения трения по выражению (3.5) среднеквадратичная погрешность получилась равной о"срот - 8,79% — средний разброс опытных точек вокруг зависимости (3.5). Скорость wo в потенциальном ядре потока.определялась с погрешностью Коэффициент трения Cf рассчитывался по выражению (3.6) с погрешностью (2.15) Аналогичным образом определялись погрешности всех величин, приведенных ниже. Вычисляемая величина Вязкость рабочего тела, ц Плотность рабочего тела, р Переменные Престона Касательное напряжение трения, xw Скорость потока, WQ Коэффициент трения, Су-Критерий Рейнольдса, Re0i Площадь теплоотдающей поверхности Разность энтальпий, Ah Удельный тепловой поток, qw Критерий Стантона, St Среднеквадратичная погрешность
Исследования при постоянстве температуры потока
Второй временной интервал на графиках представлен отрезком времени от 0,15 до 0,5 с, когда отключался плазмотрон. Характерным для этого интервала является постоянство с момента времени t « 0,30 с (рис. 3.1 и 4.20) температуры Т0 рабочего тела в потенциальной области потока и по мере прогрева пограничного слоя увеличение температуры Tw (рис. 4.21) стенки опытного участка при практически постоянной величине производной dTw/dt {рис. 4.22). В изменениях энтальпийного фактора фл(рис. 4.23), после достижения им во временном интервале t = 0,2 -f- 0,3 с минимума, отмечается тенденция на слабое увеличение фл. Следует также отметить, что энтальпийный фактор фА меняет направление изменения своей величины. Постоянство температуры То рабочего тела в рассматриваемом временном интервале свидетельствует о постоянстве физических свойств в потенциальной области течения (рис. 3.7 - 3.8). Переменными физические свойства рабочего тела будут в пограничном слое как по его толщине, так и в функции продольной координаты, так как температура Tw стенок опытного участка изменяется и во времени, и вниз по направлению течения. Из приведенной характеристики рассматриваемого временного интервала следует, что дестабилизирующими факторами здесь являются неизотермичность при увеличивающемся значении энтальпийного фактора фА и нестационарность, обусловленная изменением во времени величины температуры Tw стенок опытного участка.
Скорость Wo (рис. 4.24) в потенциальной области потока начиная с момента времени 0,3 с и до окончания временного интервала в обоих режимах имеет постоянную величину. Аналогичная ситуация наблюдается и в изменениях производных dw(/dx и d\V(/dt, комплексов д о w0 дх и 0 м 1 dt (рис.4.26 - 4.29). Тот факт, что производная dw(/dx и её" комплекс dwp w0 дх имеют постоянную величину, а производная скорости по времени dw(/dx и её энтальпийного фактора фЛ в рассматриваемом временном интервале ведет к увеличению толщины вытеснения 5, формпарамента Н, толщины пограничного слоя. С достижением скоростью Wo (рис. 4.24) в потенциальной области потока начиная с момента времени 0,3 с постоянной величины величина относительной скорости Wo также не изменяется. В функции продольной координаты времени значения пристеночных касательных напряжений трения xw слабо возрастают (рис. 4. характер (рис. 4.31). Неизменность температуры Г0 рабочего тела в рассматриваемом временном интервале, а, следовательно, и его физических свойств (р0, jio) в потенциальной области течения (рис. 3.7 - 3.8), кинематических характеристик потока (wo и WQ) определяет постоянство величины числа Рейнольдса Re (рис. 4.36), начиная с t= 0,3 с. Увеличивавшаяся до момента времени t = 0,2 с величина коэффициента трения С/ (рис. 4.34) в промежутке t = 0,2 + 0,3 с стабилизируется, а затем слабо монотонно уменьшается под влиянием неизотермичности. В [21, 81, 87] показано, что увеличение энтальпийного фактора ф/, в интервале 0 ф/, 1. сопровождается снижением величины коэффициента трения С/.
По длине опытного участка в разные моменты времени характер изменения коэффициента трения Cf (рис. 4.35) и числа Re (рис. 4.37) остается тем же. Нагляднее влияние неизотермичности просматривается во втором режиме, так как энтальпийный фактор уменьшается от 1,0 до 0,44 ( 2-ой режим) и до 0,62 (1-ый режим). Сказанное выше о влиянии неизотермичности также наглядно отражено на графиках зависимости коэффициента трения С/ от числа Рейнольдса Re , построенных в логарифмических координатах (рис. 4.38 и 4.39). Здесь прямая — стандартная зависимость (выражение 3.27) для закона трения, выше которой располагаются экспериментальные точки на рис. 4.38. С учетом влияния неизотермичности экспериментальные точки на рис. 4.39 группируются около стандартной зависимости. Поэтому следует констатировать, что в рассматриваемом временном интервале влияние на коэффициент трения не оказывают ни какие другие дестабилизирующие факторы.
