Содержание к диссертации
Введение
ЧАСТЬ 1. Пограничный слой с химическими и фазовыми превращениями
Глава 1. Состояние проблемы 33
1.1. Результаты опытов по испарению воды. 34
1.2. Пограничный слой с гетерогенным горением 35
1.3. Пограничный слой с вдувом реагирующих веществ 36
1.4. Пограничный слой с переменной плотностью газа 38
1.4.1. На вертикальной стенке 39
1.4.2. На горизонтальной поверхности 40
1.5. Свободная конвекция при горении, краткий обзор 42
1.6. О проявлении крупномасштабных структур в процессах переноса 43
Обсуждение, выводы 46
Глава 2. Результаты экспериментальных исследований тепломассообмена при горении в пограничном слое.
2.1. «Тройная» аналогия процессов переноса. 48
2.2. Газофазное горение. Относительная функция тепломассообмена 52
2.3. Наблюдение структур в пламенах.
2.3.1. Горение газовых смесей 58
2.3.2. Диффузионное горение при смешанной конвекции 63
2.3.3. Диффузионное горение на горизонтальной стенке 65
2.3.4. Пламя во вращающемся потоке 67
Обсуждение, выводы 69
Глава 3. Анализ новых опытных данных.
3.1. Оценка влияния крупномасштабных структур на процессы переноса
3.2. Выбор критериев. Механизмы массопереноса при испарении и горении этанола. 77
3.3. Массоперенос при фазовых превращениях без горения.
3.3.1. Испарение воды 79
3.3.2. Коэффициенты переноса в пористых материалах 83
3.3.3. Массоперенос при испарении этанола без горения 85
3.3.4. Устойчивость расслоения к воздействию продольного градиента давления. Оценка масштабов структур 88
3.4. Массоперенос в пограничном слое с горением.
3.4.1. Свободно-конвективный массоперенос при испарении и горении спиртов на вертикальной стенке 89
3.4.2. Массоперенос при гетерогенном горении 91
Выводы 92
Глава 4. Горение: устойчивость крупномасштабных структур к внешнему воздействию
4.1. Горение с ускорением в сужающемся канале. Предварительные опыты. 92
4.2. Турбулизация ускоренного пограничного слоя с горением. 95
4.3. Моделирование массопереноса при наличии когерентных структур 97
4.4. Ускорение пограничного слоя с когерентными структурами 101
4.5. Влияние способа стабилизация пламени на тепломассообмен в пограничном слое с горением 101
Заключение. 102
ЧАСТЬ 2. Аппаратура и методы исследования газовых потоков с горением . 107
Глава 5. Зондовые методы измерений.
5.1. Определение концентрации стабильных веществ. Хроматография. 108
5.2. Зондовые измерения температуры.
5.2.1. Коррекция потерь на излучение. 112
5.2.2. Коррекция тепловой инерции термопары. 114
5.2.3. Методика настройки аппаратуры. 118
5.3. Измерение составляющих сложного теплообмена. Радиометр. 121
Глава 6. Методы оптических измерений в сфокусированных лазерных пучках.
6.1. Введение. 125
6.2. Краткие характеристики оптических методов измерений.
6.2.1. ЛДА. 128
6.2.2. Рэлеевское рассеяние. 132
6.2.3. СКР. 138
6.2.4. КАРС. 140
6.2.5. ЛИФ. 144
Глава 7. Отработка методов оптических измерений. Результаты испытаний.
7.1. Лазерный доплеровский анемометр со следящим фильтром. 148
7.2. Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния на вращательных переходах водорода . 152
7.3. Измерение корреляционных характеристик затопленной струи по комбинационному рассеянию света. 159
7.3.1. Измерение пространственных корреляций. 160
7.3.2. Измерение временных корреляций. 163
7.4. Измерение параметров потока в вихревой трубке Ранка-Хилша методом КАРС. 167
7.4.1. Экспериментальная установка. 168
7.4.2. Результаты измерений. 170
7.5. Измерение температуры горения твердого топлива методом КАРС. 173
7.5.1. Схема эксперимента. 175
7.5.2. Результаты измерений. 177
7.6. Измерение методом ЛИФ температуры и концентрации радикала ОН при горении водорода и этанола.
7.6.1. Объекты исследования. 179
7.6.2. Измерения температуры. 181
7.6.3. Измерения концентрации.
7.6.3.1. В линейном режиме. 184
7.6.3.2. В режиме насыщения. 186
7.7. Флуоресценция радикала СН. 190
7.8. Оценка расхождений между осреднёнными и импульсными измерениями. 191
Выводы 192
ЧАСТЬ 3. Турбулизованный пограничный слой с горением и продольным градиентом давления 194
Глава 8. Пограничный слой с горением без ускорения.
8.1. Влияние турбулизации на массообмен.
8.1.1. Установка и методика измерений. . J 96
8.1.2. Результаты экспериментов. 199
8.1.3. Интерпретация результатов. „203
8.2. Влияние турбулизации на структуру течения. 205
8.2.1. Аппаратура. 206
8.2.2. Результаты экспериментов и их обсуждение. 207
8.2.3. Источниковые члены. 216
8.2.4. Обсуждение. Зона горения. 218 Выводы. 220 Глава 9. Пограничный слой с ускорением.
9.1. Введение 221
9.1.1. Нереагирующий пограничный слой. 222
9.1.2. Реагирующий пограничный слой. 224
9.2. Расширяющийся канал
9.2.1. Аппаратура, способ представления результатов. 225
9.2.2. Опыты по испарению со стенки диффузора без горения. 227
9.2.3. Зависимость скорости выгорания от угла раскрытия диффузора. Связь скорости выгорания и структуры потока . 230
9.2.4. Изменение скорости выгорания по длине канала. 234
9.2.5. Сопоставление данных по массопереносу в диффузоре в случае испарения без горения и с горением. Выводы.
9.3. Сужающийся канал.
9.3.1. Структура течения - первичные данные.
9.3.1.1. Тепловая структура.
9.3.1.2. Динамическая структура. Обсуждение.
9.3.2. Интегральные характеристики.
9.3.2.1. Функции тока.
9.3.2.2. Полнота сгорания.
9.3.2.3. Интегральные толщины пограничного слоя.
9.3.2.4. Оценка внешнего теплообмена. Толщина потери энергии
9.3.2.5. Оценка трения.
9.3.2.6. Влияние горения на общее сопротивление канала.
9.4. Крупномасштабные продольные структуры Выводы по структуре пограничного слоя в сложных условиях
9.5. Массообмен в пограничном слое с горением
9.5.1. При отсутствии продольного градиента давления
9.5.2. Массообмен в случае ускорения течения Выводы
ЧАСТЬ 4. Дополнения, обобщения
Глава 10. Пограничный слой без горения
10.1. Теплообмен при встречном вдуве пристенной струи
10.2. Теплообмен за ребром и уступом
10.3. Тепло- и массообмен при продольном обтекании затупленной пластины 265
10.4. Управление отрывом на толстой пластине 266
10.5. Теплообмена на внутренней поверхности конического сопла Лаваля 268
10.6. Теплообмен с вихрями Тейлора-Гертлера 272
10.7. Массоперенос при взаимодействии импактной струи с преградой 275
10.8. Гидродинамика и теплообмен в капиллярных течениях 277
10.9. Распространение пламени по жидкости на металлической подложке Обсуждение, выводы 282
10.10. Физическая модель пограничного слоя в сложных условиях (структура течения и тепломассообмен) 284
Выводы 291
Итоги работы 294
Литература 295
Часть 5. Приложения
Приложение 1 318
- О проявлении крупномасштабных структур в процессах переноса
- Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния на вращательных переходах водорода
- Зависимость скорости выгорания от угла раскрытия диффузора. Связь скорости выгорания и структуры потока
- Теплообмена на внутренней поверхности конического сопла Лаваля
Введение к работе
А). К истории развития теории турбулентности. Обмен механической или тепловой энергией между газовым потоком и ограничивающими его стенками происходит в месте их непосредственного контакта, т.е. в пограничном слое. Физические процессы, происходящие в ламинарном и в турбулентном пограничных слоях, значительно отличаются. Поэтому важно знать границы, в пределах которых реализуются эти два режима, а также закономерности лами-нарно-турбулентного перехода, который имеет свои особенности в структуре течения и тепломассообмене.
О. Рейнольде в конце 19го века полагал, что причина перехода ламинарных течений в турбулентное состояние - их неустойчивость. Позже Тейлором сформулирована гипотеза, по которой переход вызывают пульсации внешнего потока, приводящие к локальным отрывам пограничного слоя и его турбулизации.
В начале 20го века, благодаря усилиям Рэлея, возникла теория гидродинамической устойчивости. Первые количественные результаты для ситуации, когда внешние возмущения отсутствуют, были получены в начале 30х годов Тол-лмином и Шлихтингом. В 40х годах Шубауэр и Скрэмстед впервые экспериментально обнаружили собственные колебания пограничного слоя, показали их роль в разрушении ламинарного режима.
При малой интенсивности внешних возмущений переход в турбулентное состояние включает этапы генерации волн, их усиления по законам линейной теории и нелинейного разрушения ламинарного пограничного слоя. Было установлено, для возникновения волны Толлмина-Шлихтинга необходимым является условие малой степени турбулентности набегающего потока Тщ 0Л% [Качанов, Козлов, Левченко, 1987]. В работе [Поляков, 1979] показано, что при ещё меньшей турбулентности (Ги0 О.О7%) увеличивается область, занятая ламинарным течением, а переходная область смещается вниз по потоку. Увеличение протяжённости ламинарного течения способствует уменьшению сопротивления трения тела, на поверхности которого развивается пограничный слой. Очевидно, что существуют пределы такого снижения. Низкая турбулентность набегающего потока необходима для проведения исследований волновой структуры области перехода. В экспериментах она создаётся искусственно. Ожидалось, что такой низкий уровень турбулентности соответствует естественным условиям в атмосфере Земли. Однако, в реальных условиях полёта уровень турбулентности значительно выше, чем 7ЙО 0.1%. В работах [Занин, Козлов, Рыцарее, 1980; Довгалъ,Занж, 1982; Занин, 1999] при использовании комплекса термоанемометрической аппаратуры, установленной на борту планера Л-13 «Бланик», было показано, что интенсивность естественной турбулентности колеблется в пределах 0,1-0,4%. Измерения турбулентных пульсаций проводились во время полётов на высотах от 100 до 1200 м. Интенсивность пульсаций на высотах ниже 100 м и в кучевых облаках возрастала до 1,5%. Показано, что «при полёте в сильно возмущённой атмосфере пульсации на ламинарном участке пограничного слоя крыла увеличиваются, но механизм перехода сохраняется прежний - через развитие пакета волн неустойчивости».
В технических устройствах степень турбулентности газовых потоков, как правило, высокая. Например, на входе в газовую турбину Ти0 = 2 -г ,20 % [Turner, 1971]. При этом пограничный слой на значительной части поверхности ее лопаток (50 -т- 80 %), обтекаемых продуктами сгорания, находится состоянии ламинарно-турбулентного перехода, который в присутствии замкнутого отрыва происходит без образования волн неустойчивости [Дыбан, Эпик, 1995]. Это так называемый байпасный переход. Исследование переходного течения при повышенной турбулентности составляет одну из задач настоящей работы.
Общее сопротивление летательного аппарата, кроме трения, включает в себя и другие виды сопротивления: лобовое, волновое и т. д., вклад которых значительно превосходит долю сопротивления трения. Однако, изучение трения позволяет судить о процессах переноса тепла и вещества, которые связаны между собой известными законами подобия. Внешние газодинамические возмущения не способствуют снижению сопротивления трения, - они интенсифицируют тепломассообмен. Важно знать не только пределы ослабления процес сов переноса, но также пределы роста их интенсивности, знать свойства пограничного слоя при экстремальных значениях внешних параметров. Возможно, что в таких условиях существуют физические ограничения на дальнейшее увеличение тепломассообмена. Поэтому в настоящей работе анализируются потоки с химическими и фазовыми превращениями, с высокой внешней турбулентностью, с продольным градиентом давления, который вызывает ускорение или торможение пограничного слоя, рассматривается проблема отрывных течений. Исследуется структура потока и тепломассоперенос в сложных условиях, в том числе, при отсутствии горения.
Что может объединять импактные струи, стекающие плёнки жидкости, горение органического топлива с процессами, происходящими на поверхности крыла самолёта при критических углах атаки? Общим для них является крупномасштабное движение газа или жидкости, возникновение организованных структур, взаимодействующих с поверхностями, ограничивающими поток. Крупномасштабные структуры часто бывают невидимыми, а физический результат их воздействия на стенки канала в большинстве случаев неизвестен. Поэтому одна из основных задач настоящей работы состоит в том, чтобы определить закономерности взаимодействия крупномасштабных образований со стенками канала, создать физическую модель этого процесса.
Обзор, отражающий развитие взглядов на турбулентность и крупномасштабные структуры, приведён в работе [Кантуэлл, 1984]. Здесь краткие выдержки из него.
20-е, 30-е годы. Турбулентность - стохастическое явление. Широкий диапазон масштабов. Такой подход привёл к полуэмпирическим теориям Прандтля и Тейлора, в которых конвективные напряжения связаны со средним движением посредством использования длины пути смешения и эффективной турбулентной вязкости, введённой Буссинеском. Понятие вихря использовалось, но являлось по существу абстракцией.
В 1935 г. Работы Тейлора по изучению однородного изотропного поля турбулентности инициировали развитие статистической теории турбулентности, начало которой обычно связывается с работой Колмогорова [Колмогоров, 1941].
В 40-е годы статистическая теория турбулентности развивалась усилиями фон Вейцзекера, Коважного, Гейзенберга, Чандрасекара. Спектральный анализ привёл к выводу о том, что в изотропной турбулентности энергетическая структура не зависит от вязкости жидкости. Если число Re велико, то энергетический спектр не меняется, оставаясь подобным при любых значениях критерия. Зона генерации и диссипации по спектру сильно разнесены. Крупно- и мелкомасштабное движение связаны через каскадный механизм передачи энергии.
В 50-е Корзин и Таунсенд показали, что есть перемежаемость с ламинарными включениями. Формируется картина течения, объединяющая представления о ламинарном подслое и поле турбулентной жидкости, динамические ха рактеристики которого аналогичны изотропной турбулентности. В 60-е годы эксперименты показали, что процессы переноса осредняются большими вихрями, появление которых не является случайным. Их форма раз-ная в разных типах течений. Позднее Таунсенд [Townsend, 1970] исследовал структуру парно крутящихся больших вихрей в обычном сдвиговом слое. Эмпирическая информация о структурах получена из визуализации (пузырьки водорода, краска, теневые методы) и из термоанемометрических измерений. Основной метод исследования - метод корреляций. Он не даёт детальной картины течения, но можно получить строгие количественные оценки.
Re,- J(X, ,T) = ufafyjix+ t + т)
Пространственное разделение датчиков и временные задержки позволяют определить скорость движения структуры.
Фавр [Favre, Gaviglio, 1957] обнаружил, что максимальный коэффициент корреляции располагается на линиях, наклонённых к поверхности. Вдоль потока корреляции больше, чем поперёк. Блэквельдер и Экельман [Blackwelder, Еск-elmann, 1979] показали, что интенсивность вихрей, ориентированных поперёк потока на порядок выше, чем вдоль. Продольный размер вихря Дх+ = AxuVv -1000. Трудности экспериментального исследования организованного движения состоят в его изоляции, его выделении и осреднении. Коулз и Баркер [Coles, Barker, 1975] создавали осреднё нный турбулентный пограничный слой периодическим возмущением передней кромки. Это ламинарное течение с возмущениями при осреднении соответствовало турбулентному. При изучении турбулизованного пограничного слоя в переходном режиме течения в поздних работах Ванга и Жоу [Wang, Zhou, 1998] искусственное возмущение не вносится, а разделение турбулентной и ламинарной частей потока проводится по времени.
В опытах по визуализации пристенной области, проведенных Кляйном и соавторами [Kline, Reynolds, 1967] было показано, что пузырьки движутся по криволинейным траекториям струйками (stricks), в которых возбуждаются колебания, заканчивающиеся внезапным разрушением (birsting). Ким и соавторы [Kim, Kline, 1971] определили, что практически всё производство турбулентной энергии происходит в таких всплесках. Корино и Бродки [Corino, Brodkey, 1969] обнаружили явление сноса (sweep) - снос жидкости в область, где произошёл её выброс. Если по модели Прандтля считалось, что большая часть Рей-нольдсовых напряжений u v возникает на стадии подъёма низкоскоростной жидкости вверх, то Уилмар и Лю [Willmarth, Lu, 1972] показали, что наибольший вклад в u v появляется на стадии сноса.
Последующие работы направлены в основном на поиск источника крупномасштабного движения вблизи стенки, на установление связи внешней области с течением в пристенной его части. Коважный [Kovasznay, Kibens, 1970] показал, что завихренность разрывна, в то время как скорость непрерывна. Рао [Rao, Narasimha, 1971] наблюдал большие вихри, приводящие к тому, что медленно движущийся внутренний слой порождает пик турбулентности с интенсивными турбулентными напряжениями. Наиболее активна граница между турбулентным и не турбулентным течением. Характерный размер неоднородностей 3 S по потоку и 8 поперёк. Как и в трубах [Wygnanski, Champagne, 1973], на такой границе раздела степень турбулентности достигает -15%, что в 4-7 раз больше, чем в центре сгустка, - это второй тип перемежающегося течения - клубы (puff). Корреляционные измерения позволили выявить направление максимальных корреляций /3 = 18°, определить скорость движения крупномасштабных образований.
Несмотря на нестыковки и противоречия, некоторые масштабы структур можно считать установленными:
длина подслоя в продольном направлении Л ЮООг/м ;
продольный размер вихря Ъх (60-г \00)р/и ;
расстояние, на котором сохраняется вихрь с большой энергией Xi 5ЬХ;
угол максимальной корреляции /? = 18°;
средняя скорость движения крупномасштабного вихря во внешней области (0.8-5-0.9)%
пульсационная скорость (и )2/и= 2,75.
Идеи и представления о турбулентности служат основой для развития теории процессов переноса. Вывод статистической теории о неизменности энергетического спектра при больших числах Re оказались плодотворным при создании асимптотической теории тепломассообмена и трения в турбулентном пограничном слое с вырождающейся вязкостью, развитой в работе [Кутателадзе, Леонтьев, 1972]. При её использовании все особенности структуры учитывались единственной функцией, что позволяло значительно упростить уравнения пограничного слоя и получать аналитические решения для сравнительно сложных ситуаций.
В обзоре [Бродуэлл, Димотакис, 1987] авторы показывают невозможность объяснить ряд экспериментально обнаруженных фактов без учёта крупномасштабного движения. К числу его особенностей они относят
- сближение характерных масштабов структур и наибольших временных и пространственных масштабов данного потока;
- проявление механизмов молекулярного переноса даже в полностью развитых турбулентных течениях; - проявление динамики крупномасштабных вихрей в процессах перемешивания.
Внедрение структур в методы инженерных расчётов происходит очень медленно. Нет теории, которая могла бы рассчитывать эти структуры, нет ответа на основной вопрос, каким образом крупномасштабное движение влияет на тепломассообмен. Нет физической модели, которая обобщила бы накопленный противоречивый экспериментальный материал, выходящий за рамки традиционных представлений о процессах переноса. Турбулентность остаётся главной неизученной проблемой классической физики.
«Каков физический результат воздействия крупномасштабных структур на тепломассообмен?» На одном из семинаров, посвященных памяти С.С.Кутателадзе, этот вопрос А.И.Леонтьев задал Ю.Н.Григорьеву, выступившему с обзорным докладом по крупномасштабным структурам. Тогда ответа не было. Этот вопрос может послужить эпиграфом к настоящей работе. Б). Общая характеристика работы Актуальность проблемы.
В структуре энергобаланса наиболее развитых стран доля энергии от сжигания органического топлива достигает 90-95%. Ограниченность возможностей горения, привела к необходимости более глубокого изучения особенностей это-го процесса.
Первый этап в ходе передачи энергии - это теплообмен химически реагирующих газов с поверхностью теплоприёмника, который происходит в пограничном слое. Знание закономерностей теплообмена при горении, механизмов эффективного воздействия на них, а также диапазона, в котором изменяется интенсивность процессов переноса, имеют значение при разработке перспективных аппаратов химического и энергетического машиностроения. Поэтому задача изучения форсированных процессов переноса в пограничном слое с горением является актуальной.
Логика развития теории пограничного слоя с последовательным усложнением объекта исследований требует рассмотреть ситуацию, когда одновременно действует целый комплекс возмущающих факторов. Среди них отрыв, ускорение (или торможение) газового потока, высокий уровень его турбулентности, наличие физико-химических превращений. В ходе изучения такого объекта можно ожидать проявления наиболее общих закономерностей, которые необходимы для анализа явлений тепломассообмена в сложных условиях.
Известны факты, объяснение которых в рамках существующей теории тепломассообмена вызывает затруднение. К их числу относится отсутствие подобия между тепло- и массообменом при испарении жидкостей, расслоение опытных данных в два три и более раз, которое отмечалось в опытах по теплообмену в соплах, проявление в потоках с развитым турбулентным течением особенностей, которые характерны для молекулярного переноса. Не решена проблема взаимодействия турбулентности и горения, неизвестен физический результат воздействия крупномасштабных структур на процессы переноса. В поле зрения исследователей постоянно остаются потоки с отрывом, с ламинарно-турбулентным переходом в пограничном слое.
Все эти вопросы затрагиваются в настоящей работе и определяют её актуальность. Их многообразие отражает свойства пограничного слоя с крупномасштабными тепловыми и газодинамическими возмущениями. Течение с горени-ем за преградой при высокой турбулентности набегающего потока сочетает в себе особенности реальных химически реагирующих газовых потоков и характеризуется следующими признаками:
1). Высокая амплитуда пульсаций параметров, которая сопоставима с их средними значениями. Средние значения изменяются в широком диапазоне и могут достигать пределов, в которых существует процесс. Тепломассоперенос по своей интенсивности приближается к максимальному уровню.
2). Отрыв потока, наличие областей рециркуляции и крупномасштабных структур, которое затрудняет эффективное применение вычислительных технологий.
3). Отсутствие подобия между распределением температуры, скорости и концентрации вещества, между переносом импульса и вещества.
4). Нет прямой связи между граничными условиями и параметрами газа в зоне горения, неопределённость физических границ в случае обтекания пористой поверхности.
5). Совместное действие нескольких осложняющих факторов (турбулизация и ускорение, свободная и вынужденная конвекция и т.д.).
Использование вычислительных технологий для изучения таких течений не исключает экспериментальные исследования, как источник эмпирических данных для тестирования результатов расчёта. Поэтому проведение экспериментальных исследований оправдано, хотя сопряжено с необходимостью создания принципиально нового диагностического оборудования. Оно должно использоваться в химически агрессивных газовых потоках, не внося в них изменений, должно применяться при высокой температуре, обеспечивая высокое пространственное и временное разрешение. Основная цель работы
- исследование пограничного слоя с крупномасштабными тепловыми и газодинамическими возмущениями, развитие физической модели течения и тепломассообмена в потоках с отрывом.
Основной акцент в работе делается на изучение воздействия крупномасштабных структур на процессы переноса.
Основные задачи
Для достижения основной цели работы решались следующие задачи:
1. Анализ состояния исследований пограничного слоя с испарением и горением. Наблюдение структур в пограничном слое с горением. Установление связи между наличием структур и проявлением особенностей процессов переноса. Поиск эффективных механизмов воздействия на крупномасштабные структуры с целью определения пределов их влияния на тепломассообмен.
2. Отработка методов регистрации результатов внешнего воздействия и получения количественной информации о свойствах крупномасштабных структур. Среди них зондовые методы измерений, а также методы измерений в сфокусированных лазерных пучках. Испытания аппаратуры на объектах с известными параметрами. Разработка экспериментальной установки для создания пограничного слоя с крупномасштабными структурами, с испарением и горением, которая способна адаптироваться к применению различных зондов и оптической аппаратуры.
3. Проведение систематических измерений параметров газа в реагирующем пограничном слое с использованием зондовых и оптических методов. В максимально возможном диапазоне изменения внешних газодинамических факторов получение базы опытных данных о структуре течения, о потоках тепла и вещества, о влиянии на них внешних возмущений (турбулизации, ускорения, зоны отрыва), о влиянии крупномасштабных структур на процессы переноса.
4. Выявление общих особенностей пограничного слоя с крупномасштабными структурами с испарением и горением. Обобщение полученной информации в виде физической модели. Применение основных положений этой модели к проблемным случаям тепломассообмена при отсутствии горения.
Работа проводилась по координационным планам НИР Института теплофизики, при поддержке фонда Сорос-ННЦ на всех его этапах, при поддержке Си-бирского отделения РАН (Интеграционный проект №28). В неё вошли некоторые результаты, полученные в ходе выполнения проектов Российского Фонда Фундаментальных исследований (Гранты №№ 93-02-14517, 96-02-19418, 97-02-18520, 99-02-17171, 00-03-32429, 02-02-16170).
Объекты исследования
При проведении анализа известных опытных данных в качестве объектов исследования рассматривались ситуации с необычным проявлением тепломас- п сообмена. Без горения - это пограничные слои с фазовыми превращениями (с испарением или сублимацией), с ускорением, с явно выраженным отрывом: встречный вдув пристенной струи, импактное взаимодействие струи с преградой, теплообмен за ребром и уступом, тепло- и массообмен при обтекании затупленной пластины, а также теплообмен на вогнутой стенке, теплообмен сверхзвукового потока со стенками конического сопла Лаваля.
Получены опытные данные для пограничного слоя при обтекании воздухом 1 плоской стенки и в закрученном ограниченном потоке (трубка Ранка-Хилша). В случае горения - это пограничные слои с фазовыми и химическими превращениями (в лабораторных условиях), на натурной котельной установке - теплообмен факелов газовых горелок.
При отработке методов измерений получены опытные данные для горения струи водорода в воздухе и в смеси с кислородом, для струи продуктов сгорания образца твёрдого ракетного топлива, а также для случая горения эталона, испаряющегося с поверхности сферы, моделирующей горение жидкой капли. Наиболее полные экспериментальные данные накоплены для испарения и горения этанола в пограничном слое на плоской горизонтальной пластине за ребром переменной высоты, а также при наличии ускорения (или торможения) воз душного потока при повышенной его турбулентности. і Научная новизна
Впервые получены систематические экспериментальные данные о параметрах реагирующего пограничного слоя, которые включают в себя потоки вещества, распределение температур, скоростей и их пульсаций, данные о составе стабильных веществ и радикалов. Впервые получен фактический материал о влиянии горения, турбулизации внешнего течения, его ускорения (или торможения) на структуру течения и тепломассообмен.
Впервые получена эмпирическая зависимость для описания особенностей процессов переноса, обусловленных наличием крупномасштабных структур в пограничном слое. Впервые получены опытные данные о диапазоне её применимости.
Впервые предложены методы определения составляющих теплового потока при сложном теплообмене на испаряющейся поверхности, предложены методы определения коэффициентов переноса, в том числе, на поверхности пористого материала и в его объёме. Предложена оптическая схема КАРС-спектрометра для одновременного определения концентрации вещества и его температуры. Оригинальность этих решений подтверждена авторскими свидетельствами.
Достоверность
Достоверность результатов достигалась:
1). Выбором соответствующего объекта исследований (пограничный слой над испаряющейся поверхностью), у которого граничные условия первого рода при адиабатическом тепломассообмене консервативны к наличию газодинамических возмущений разного масштаба.
2). Сравнением собственных опытных данных с известными данными, которые были получены в сопоставимых условиях.
3). Благодаря анализу и учёту вклада, который привносят в общий поток тепла действующие механизмы переноса.
4). Благодаря калибровке измерительной аппаратуры по эталонным объектам с известными параметрами. 5). Исходя из анализа источников погрешностей, из выбора режимов горения, а также областей течения, где применимость выбранных методов измерений доказана и не вызывает сомнений.
6). Проверкой полученных данных на воспроизводимость.
Научная и практическая ценность
Развиты подходы к анализу известных опытных данных, которые показали реальный диапазон изменения интенсивности тепломассообмена. Сформулированы основные положения физической модели пограничного слоя в сложных условиях. Они позволили с единых позиций объяснить ряд проблемных случаев тепломассообмена.
Создана аппаратура, которая была применена в реагирующих турбулентных " потоках со следующими параметрами: при давлении 4 МПа в химически агрессивной газовой среде при температуре 3100К и при сверхзвуковых скоростях движения. Она может быть использована для изучения процессов с характерным временем порядка 0,1 микросекунды и пространственным разрешением 0.1x0.1x1мм3.
Накоплена база опытных данных по распределению температур, скоростей, состава газов, тепловых и массовых потоков, которые получены в ходе систе- ч матических исследований пограничного слоя с испарением и горением. Она может использоваться для тестирования расчётных моделей.
Экспериментально установлены пределы изменения интенсивности процессов переноса, которые имеют значение при разработке и эксплуатации элементов энергетического оборудования.
Разработан способ определения коэффициентов переноса на поверхности л пористого материала и в его объёме, способ определения компонентов теплового потока при сложном тепломассообмене. Предложен и апробирован вариант КАРС-спектрометра с наиболее эффективным использованием располагаемой энергии лазерного излучения. Полезность этих решений признана и зафиксирована в авторских свидетельствах.
На защиту выносятся
Опытные данные о влиянии турбулизации, ускорения (или торможения) на структуру течения и процессы переноса в пограничном слое с горением.
Результаты экспериментов по структуре течения и процессом переноса, положенные в основу физической модели пограничного слоя с крупномасштабными структурами:
- данные, подтверждающие наличие продольных и поперечных крупномасштабных структур в пограничном слое с горением;
- эмпирически установленная корреляция, описывающая особенности тепломассообмена при наличии крупномасштабных структур, а также результаты исследования диапазона её применения.
Личный вклад автора
Диссертантом сформулирована задача изучения крупномасштабных структур при горении, изучения их воздействия на процессы переноса в пограничном слое, исследование влияния на пограничный слой газодинамических возмущений разного масштаба.
Автору принадлежит основной вклад в создание экспериментальной установки с горением в пограничном слое, в исследовании её характеристик и адаптации к использованию различных зондовых и оптических методов измерений.
Автором проведена модернизация аппаратуры для газового анализа, отработана методика компенсации радиационных потерь термопар. Выполнен весь комплекс измерений тепловых и массовых потоков, структуры течения с использованием зондов, проведена обработка, анализ и обобщение данных, полученных в опытах с горением и без него.
Под руководством автора разработан метод измерений составляющих теплового потока, а также метод определения коэффициентов переноса, на которые получены авторские свидетельства [6,15].
Оптические измерения скалярных параметров (методы СКР, КАРС, ЛИФ) реализованы в результате совместной работы с СЮ. Фёдоровым, который раз работал систему сбора, хранения и обработки первичных данных оптических измерений. Вместе с ним создавалась оптическая схема и конструкция КАРС-спектрометра, на которую был получен патент [26], проведены исследования особенностей применения рэлеевского рассеяния в пламенах органических веществ, изучение возможностей измерения ЛИФ гидроксила, измерения температуры в струе продуктов горения твёрдого топлива при повышенном давлении. Вместе с ним и А.А. Волковым решена задача измерения корреляций, определения одновременно трёх параметров газа методом КАРС за один импульс лазерного излучения.
Вместе с В.И. Титковым отработаны методы использования аппаратуры ЛДА при измерениях скоростей газа в реагирующих потоках с высокой турбулентностью. С ним и с В.В. Лукашовым создана аппаратура для коррекции тепловой инерции термопары.
Вместе с С.Ю.Фёдоровым, А.А.Волковым и В.В.Лукашовым создан и отка-либрован радиометр, который был испытан на натурной котельной установке.
Апробация работы
Результаты работы содержатся в трудах Минских международных форумов по тепломассообмену (MIF-1 - MIF-5), в сборниках докладов Российской национальной конференции по тепломассообмену (РНКТ-1 - РНКТ-3), в трудах Второго международного симпозиума по теплообмену, горению и энергопотреблению, Пекин-1988, в трудах Четвёртой международной конференции по тепло- и массообмену, Брюссель-1997, в трудах Международной конференции по методам аэрофизических измерений (ICMAR-1996, ICMAR-2002, ICMAR-2004), Российско-Корейского симпозиума RUSKO-2001, Международного симпозиума по горению и загрязнению атмосферы ISCAP-2003, Международного симпозиума по неравновесным процессам, горению и загрязнению атмосферы NEPCAP-2005.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, не считая тезисов докладов. В их числе 28 статей в рецензируемых отечественных журналах и глава в книге «Законы горения». Тринадцать работ переведены и изданы на английском языке.
Работа выполнена в период 1977-2005 г. в Институте теплофизики СО РАН, в лаборатории термохимической аэродинамики, руководимой член-корр. РАН Волчковым Э.П. Традиционным направлением исследований, проводимых в лаборатории, является изучение процессов переноса в пограничном слое с химическими и фазовыми превращениями. В результатах опытов по испарению и горению этанола в пограничном слое был обнаружен значительный (в несколько раз) разброс экспериментальных данных. Поиск причин такого разброса стал основным побудительным мотивом для выполнения настоящей работы.
Диссертация состоит из введения, трёх основных частей, в которых изложена суть работы, из дополнения и приложений.
В первой части представлен краткий обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований пограничного слоя, а также результаты наблюдений крупномасштабных структур в процессах горения, которые составляют предмет исследования в настоящей работе. Обзор ограничен в основном данными, полученными автором. Выполнены оценки возможного воздействия крупномасштабного движения на процессы переноса в пограничном слое. Сделаны предварительные выводы, позволяющие описать влияние крупномасштабных структур на тепломассообмен.
Чтобы определить диапазон режимов, в которых существуют крупномасштабные структуры и расслоение опытных данных, связанное с ними, рассматривается пограничный слой с горением при наличии различных возмущающих факторов. Среди них наиболее эффективные газодинамические средства воздействия на процессы переноса - ускорение пограничного слоя и его турбули-зация. Выработано направление для проведения систематических экспериментальных исследований пограничного слоя при воздействии на него со стороны внешнего течения. Сформулированы требования к диагностической аппаратуре, применяемой в сложных условиях - в химически агрессивной среде с большой амплитудой пульсаций локальных параметров.
Вторая часть посвящена вопросам создания и применения аппаратуры для измерений в сфокусированных лазерных пучках. Рассматриваются варианты реализации методов лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), рэлеевско-го рассеяния (РР), спонтанного комбинационного рассеяния (СКР), методов ла-зерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) и когерентного антистоксова рассеяния (КАРС), в том числе, при измерении пространственных и временных масштабов структурных образований.
В третьей части приводятся результаты использования аппаратуры и разработанных подходов при проведении систематических экспериментальных исследований сложного тепломассообмена. Рассматривается пограничный слой с испарением и горением этанола при наличии газодинамических возмущений разного масштаба - при турбулизации основного потока, при его торможении и ускорении.
В заключительной части работы подводится итог наблюдениям и количественным измерениям в экспериментальных исследованиях. Представлена физическая модель пограничного слоя в сложных условиях. В Дополнении показаны особенности её применения к не реагирующим течениям, результаты измерений содержатся в Приложении.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах
1. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И., Шутов С.А. Турбулентный пограничный слой со вдувом реагирующих веществ // Физика горения и взрыва. №6. 1981. С.21-28.
2. Бояршинов Б.Ф., Григорьева Т.С., Рудницкий А.Л., Пузырев Л.Н. Универсальная оптико-механическая система для измерений в сфокусированных пучках // Сб.: Оптические методы исследования газовых потоков. Минск, 1981. 3. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Конвективный тепломассообмен при испарении жидкости в газовый поток // Известия СО АН СССР, №16, Сер. техн. наук, вып.З, 1985, с. 13-22.
4. Boyarshinov B.F., Volchkov Е.Р., Terekhov V.I. Flow structure and Heat transfer in a boundary layer with ethanol combustion II Flame Structure. Nauka, Novosibirsk, 1986, Vol.1, pp.141-146.
5. Бояршинов Б.Ф., Терехов В.И. О соотношении тепловых потоков на поверхности при наличии фазового перехода // Известия СО АН СССР, №4, Сер. техн. наук, вып.1, 1986, с.25-31.
6. А.с. 1270588 СССР, iai.G-01 К 17/02 Способ определения составляющих теплового потока и устройство для его осуществления / Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И., Титков В.И. II Открытия. Изобретения.-1986. №42.
7. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Структура течения и тепломассообмен в пограничном слое с фронтом горения // Процессы переноса в одно- и двухфазных средах. Новосибирск, 1986, с.88-97.
8. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Экспериментальное исследование структуры реагирующего пограничного слоя // В кн. "Структура газофазных пламён", Новосибирск, 1988, с.239-250.
9. Boyarshinov B.F., Volchkov Е.Р., Terekhov V.I. Flow structure and heat and Mass Transfer in boundary layer at ethanol evaporation and combustion. II Proc. 2-nd Symp. Heat Transfer, Combustion and Energy Utilization, 1988, Beijing, vol. 1, p. 312-318.
10. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Моисеенко B.B., Терехов В.И. Тепло-массоперенос в пограничном слое при испарении и горении этанола // Тепломассообмен - ММФ, Минск. 1988, т. 3, с. 30-32.
11. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Тепломассообмен при испарении жидкостей в газовый поток // Russ. J. of Eng. Termophysics, 1990.
12. Boyarshinov B.F., Volchkov E.P., Terekhov V.I. Heat and mass transfer with liquid evaporation into gas flow II Russ. J. of Eng. Termophysics, 1991, No 1, pp.93-112. 13. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Структура пограничного слоя со вдувом и горением этанола // Физика горения и взрыва. №3. 1992. С.29-36.
14. Береснев А.П., Бояршинов Б.Ф. О механизмах переноса тепла в погра- -ничном слое с химическими превращениями // Тепломассообмен- ММФ- 92, II Минский международный форум, Минск, 1992, т.З, с.93-96
15. Патент 2003076 RU, CI, G01 J 3/44 , Способ определения коэффициентов массопереноса и устройство для его осуществления / Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Моисеенко В.В. Терехов В.И., 15.11.93. Бюл.6.
16. Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., Волков А.А. Использование КАРС-спектрометра для одновременных измерений температур и концентраций в во- Ч дородо-воздушных пламенах// Физика горения и взрыва. №5. 1993. С.34-37.
17. Beresnev А.Р., Boyarshinov B.F. Heat Transfer in a Boundary Layer with Chemical Transformations II Heat Transfer Research, Vol.25, No3,1993. P.380-383.
18. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Тепло- и массообмен в пограничном слое при испарении и горении этанола // Физика горения и взрыва. №1.1994. С.8-15.
19. Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., Волков А.А. Спектрометр когерентно- го антистоксова рассеяния на вращательных переходах водорода // Приборы и техника эксперимента, 1994, №1. С.153-158.
20. Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., Волков А.А. Измерение корреляционных характеристик затопленной струи по комбинационному рассеянию света // Приборы и техника эксперимента, 1994, №5, с. 110-116.
21. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Лукашов В.В. Воздействие горения на теплообмен в пограничном слое // Тр. Первой Российской нац. конф. по теплообмену. Т.З. Тепломассообмен при химических превращениях. М.: МЭИ, 1994. С.36-41.
22. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Экспериментальное ис
следование структуры течения и тепломассообмена при испарении и горении этанола II Тр. Первой Российской нац. конф. по теплообмену. Т.З. Тепломассообмен при химических превращениях. М: МЭИ, 1994. С.42-46.
23. Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., Волков А.А. КАРС-измерения корреляций скалярных параметров в водородной струе и пламени // Тр. Первой Российской нац. конф. по теплообмену. Т.З. Тепломассообмен при химических превращениях. М.: МЭИ, 1994. С.47-52.
24. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Лукашов В.В. Теплообмен в ускоренном реагирующем пограничном слое // Докл. РАН. Т.350. №6.1996. С.763-765.
25. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Лукашов В.В. Тепломассообмен в пограничном слое с ускорением и горением // Тепломассообмен.- Минский международный форум, ММФ-96, т.З, с. 13-17.
26.Патент 2055328 RU, CI, G01 J 3/44, Спектрометр когерентного антисто-ксова рассеяния для одновременных измерений мгновенных температур и концентраций вещества / Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., 27.02.96. Бюл.6.
27. Boyarshinov B.F., Volkov А.А., Fedorov S.Yu. Gas flow correlation characteristics measurement by CARS technique II Proc. Int. Conf. on the methods of Aero-physical Reaserch, Novosibirsk, 1996, Part 1, pp.62-66.
28. Boyarshinov B.F., Volchkov E.P., Lukashov V.V. Heat and Mass Transfer in a Boundary Layer with Combustion and Pressure Gradient II Proc. 4th World Conf. On Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Brussel, 1997, Vol.4, pp.2505-2510.
29. Бояршинов Б.Ф. К анализу опытных данных по тепло- и массообмену в пограничном слое // Физика горения и взрыва. 1998. Т. 34, № 2. С. 73-81.
30. Бояршинов Б.Ф. Исследование причин немонотонного изменения интенсивности процессов переноса в пограничном слое // Тр. Второй Российской нац. конф. по теплообмену. Т.2. Вынужденная конвекция однофазной жидкости. М.: МЭИ, 1998.С.66-69.
31. Boyarshinov B.F., Fedorov S.Yu., Volkov А.А. CARS-measurements in
Ranque-Hilsh s vortex tube II Proc. 9th Int. Conf. on the Methods of Aerophysics
Reaserch, 29June-3July 1998, Novosibirsk, Russia, Part 1, p.36-40. 32. Бояршинов Б.Ф., Фёдоров СЮ. Измерение параметров вихревого потока методом когерентного антистоксова рассеяния света // Приборы и техника эксперимента, 1999, №6, с.95-99.
33. Бояршинов Б.Ф. Некоторые особенности тепло- и массопереноса при ,( обтекании поверхности воздушным потоком // Прикл. механика и техн. физика, 2000,т.41,№4,с.124-130.
34. Бояршинов Б.Ф. Тепломассообмен в пограничном слое слое при испарении и горении этанола в турбул изо ванном воздушном потоке // Тр. IV Минского международного форума "Тепломассообмен ММФ-2000", 22-26 мая 2000 г. Т.1, Конвективный тепломассообмен, Минск, 2000. С.361-364.
35. Бояршинов Б.Ф., Титков В.И. Влияние турбулентности набегающего Ч потока на структуру пограничного слоя с диффузионным горением этанола // Прикладная механика и техническая физика, 2001, т.42, №6, с.55-63.
36. Boyarshinov B.F.,Titkov V.I. Flow structure and mass transfer in a turbu-lized boundary layer with diffusion combustion II Proc. 1th Russian Korean International Symposium on Applied Mechanics "RUSSKO-AM-2001", October 2-4, NSTU, Novosibirsk, 2001, p.137-140.
37. Бояршинов Б.Ф., Фёдоров СЮ. Измерение температуры горения твер- дого топлива методом КАРС // Прикладная механика и техническая физика, 2002,т.43,№6,с.170-175.
38. B.F.Boyarshinov, S.Yu.Fedorov (Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, Novosibirsk, Russia) Method CARS for measurement of high pressure burning temperature. Proc. XIICMAR Conf, 1-7 July, 2002, Novosibirsk, Part 1, pp. 51-55.
39. E.P.Volchkov, B.F.Boyarshinov, V.I. Titkov (Kutateladze Institute ofTher- mophysics SB RAS, Novosibirsk, Russia) Flow structure and mass transfer investigation of the turbulized boundary layer with ethanol evaporation and diffusion combustion . Proc. XI ICMAR Conf, 1-7 July, 2002, Novosibirsk, Part 1, pp.195-200.
40. Бояршинов Б.Ф., Титков В.И. Массообмен и газодинамическая структура турбулизованного пограничного слоя с горением за препятствием // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. Т.З. Свобод- 1 ная конвекция. Тепломассообмен при химических превращениях. М.: МЭИ, 2002, с. 169-172.
41. Бояршинов Б.Ф., Фёдоров СЮ. Измерения температуры и концентра ОН в спиртовоздушном пламени методом лазерно-индуцированной флуо ресценции // Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, № 2. С. 3-8.
42. Boyarshinov B.F., Volchkov Е.Р., Titkov V.I. Experimental investigation of ethanol diffusion combustion in a boundary layer at presence of gasdynamic distur bances II Combustion and Atmospheric Pollution I [Edited by G.D. Roy, S.M.Frolov, A.M.Starik]. -Moskow: TORUS PRESS Ltd., 2003. -p.248-251.
43. Бояршинов Б.Ф., Федоров СЮ. Измерение методом ЛИФ температурыг и концентрации радикала ОН при горении водорода и этанола // Физика горе ния и взрыва, 2004, №5, с. 16-20.
44. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Титков В.И. Экспериментальное исследование диффузионного горения в пограничном слое при наличии внешних газодинамических возмущений // Химическая физика, 2004, т.23, №8, с.49-53.
45. Boyarshinov B.F., Titkov V.I., Fedorov S.Yu. Laser radiation scattering in application to research of gas-phase combustion II Proc. XIIICMAR Conf., 28June 3July, 2004, Novosibirsk, Part I, pp.52-57.
46. Boyarshinov B.F., Volchkov E.P., Titkov V.I., Fedorov S.Yu. Experimental investigation of local parameters of reacting flows by methods LDA and LIF II Proc. XII ICMAR Conf., 28June- 3July, 2004, Novosibirsk, Part I, pp.58-62.
47. Бояршинов Б. Ф., Титков В. И., Фёдоров С. Ю. Исследование распределения радикалов ОН и СН в пограничном слое с горением этанола // ФГВ, 2005,т.41,№4,с.22-28.
48. Boyarshinov B.F., Fedorov S.Yu. Studying the distribution of radicals, heat
and gas-dynamic characteristics within the boundary layer with combustion II Non equilibriume Processes. Vol.1. Combustion and Detonation I [Ed. by G.D. Roy, S.M.
Frolov, A.M. Starik] - Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2005.- 440 p.
49. Волчков Э.П., Терехов В.В., Фёдоров С.Ю., Бояршинов Б.Ф. Пограничный слой с горением на проницаемой поверхности / с.63-90 в кн. «Законы горения» / Под общ. ред. Ю.В.Полежаева. М.: Энергомаш, 2006. - 352с.
Автор благодарен своим коллегам СЮ. Фёдорову, В.И. Титкову за плодотворную совместную деятельность, дружескую поддержку, за их творческий вклад, без которого невозможно выполнение настоящей работы.
Особая признательность зав. лабораторией термохимической аэродинамики Института теплофизики СО РАН член-корр. Волчкову Э.П. за критику и полезное обсуждение полученных результатов.
О проявлении крупномасштабных структур в процессах переноса
Решётка с пылевыми трубками после эксперимента вынута из диффузора. Видно, что струйка газа из малого отверстия оставила на трубке след в виде двух замкнутых колец из кварцевого порошка - результат взаимодействия им-пактной струи с преградой. Очевидно, что эти отложения поперёк направления растекания воздушного потока.
В работе [Tuttle, Webb, McQuay, 2005] исследовался теплообмен при взаимодействии восходящей струи горящего метана, истекающего из сопла d, с горизонтальной охлаждаемой поверхностью. Рассматривалось горение с изменением состава смеси, расстояния между соплом и плоскостью, а также с изменением расхода газа.
Пламя могло быть приподнятым, рис. 1.11 (слева), либо стабилизированным кромкой сопла или застойной областью в лобовой точке. В последнем случае, рис. 1.11 (справа), наблюдались кольцевые структуры в пламени, т.е. структуры, ориентированные поперёк направления растекания. В этой работе нет измерений характеристик течения, т.е. из данных по теплообмену нельзя получить числа Стантона.
В оптически однородной среде это вихревое движение остаётся невидимым. Возникновение структур, как в опытах [Tuttle, Webb, McQuay, 2005], отмечалось в некоторых экспериментах по визуализации теплообмена на плоскости, изменяющей направление падающей на неё по нормали нагретой струи воздуха.
Свободная конвекция, как объект исследования, несмотря на сложную картину течения и противоречивые результаты опытов, остается привлекательной для теоретического анализа. Здесь проще задать граничные условия (нет стабилизатора), более полно реализуется подобие полей скорости, температуры и состава. В расчётах применяются интегральные соотношения для свободно-конвективного горения в пограничном слое, которые были получены в работе [Morton, 1965], а также численное моделирование с использованием "к-є-g" модели турбулентности. Однако в известных работах [Kennedy, Plumb, 1976; Локтионова, 1986] и других авторов организованные структуры не проявляются. Что касается разброса опытных данных, то по данным [Ahmad, Faeth, 1978] для горения на вертикальной стенке он находится на уровне ±40% и более, рис. 1.6. То же относится и к другой пространственной ориентации образцов. Возможно, что причина разброса связана с наличием крупномасштабных структур, присутствие которых не вызывает сомнений, а результат воздействия на процессы переноса неизвестен. Подобные образования могут возникать в результате потери устойчивости течения. В опытах [Ahmad, Faeth, 1978] отмечались регулярные колебания фронта пламени в виде бегущей волны.
Таким образом, разброс экспериментальных данных, наличие разнообразных крупномасштабных образований, характерны для исследований процессов горения. Они значительно расходятся в оценке влияния вдува и горения на процессы тепломассообмена. Вид критериев, используемый разными авторами, отличается между собой и не вытекает из дифференциальных уравнений переноса. Расхождение чисел Стантона может достигать порядка величины.
Структуры регулярно наблюдаются в экспериментах. Однако, отсутствуют работы, посвященные систематическим исследованиям влияния крупномасштабных структур на тепломассоперенос.
В опытах со свободноконвективным горением связь между тепломассообменом и структурой течения слабая: скорости обтекания сравнительно низкие, и радиационный теплообмен сопоставим с конвективным. Поэтому влияние крупномасштабных образований на процессы переноса выделить затруднительно, нельзя установить однозначную связь между наличием структур и разбросом опытных данных по тепломассообмену.
Переход от смешанной конвекции к вынужденному течению, когда интенсивность тепломассообмена возрастает, очевидно, будет способствовать установлению искомой связи.
Далее приводятся результаты экспериментальных исследований тепломассообмена при горении в пограничном слое, полученные в ходе выполнения настоящей работы.
При исследовании структуры реагирующего пограничного слоя широко используется следующая система осреднённых уравнений [Локтионова, 1986; Колльман, 1984]:
Здесь а=0 для плоской системы координат, сс=1 в цилиндрической системе. Переменные принимают значения, приведённые в таблице, где показан вариант с одной глобальной химической реакцией, скорость которой описывается законом Аррениуса. Скаляр С = Сох - Q— это переменная Бурке-Шумана в модели «фронта пламени»: С 0 в зоне горючего, С 0 в зоне окислителя, где С/=0, s - стехиометрический коэффициент.
Из-за наличия источникового члена S уравнение диффузии неподобно уравнению движения. В работах [Kikkawa, Yoshikawa, 1973; Kikkawa, Yoshikawa, 1975], в которых применялась градиентная модель турбулентности, не отмечено отличий в профилях средней скорости от случая отсутствия горения. Близки между собой профили температур и состава для ламинарного и турбулентного пограничного слоя.
Для замыкания системы уравнений (2.1-2.3) используют, кроме модели Прандтля, различные модификации модели "к-ё\ когда в систему вводятся дополнительные уравнения переноса и константы, величина которых устанавливается из сопоставления с опытами без горения.
Разные методы замыкания исходной системы уравнений, как правило, приводят к расхождению результатов расчёта структуры пограничного слоя [Стрелец, Травин, 2002] и пространственных течений [Volchkov, Dvornikov, 1999]. В работе [Волчков, Дворников, Перепечко, 1996] сравнивалось влияние различные моделей горения на результаты расчёта тепломассообмена. Показано, что отличие в кинетике химического реагирования слабо влияет на оценки интенсивности процессов переноса. Этот результат, очевидно, подтверждает закон Гесса [Ерёмин, 1978] о независимости теплового эффекта от пути химической реакции применительно к условиям в пограничном слое.
Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния на вращательных переходах водорода
Пределы существования режимов применительно к каналу другой геометрии могут измениться. Для пламени, которое стабилизировано уступом или прямоугольным парал лелепипедом, исследования режимов горения и формы пламени выполнены в работе [Rohmat, Katoh, 1998]. Наблюдения проведены при вдуве метана сквозь пористую стенку в горизонтальном канале высотой 250 мм и шириной 30 мм. Подковообразные структуры, размер которых в трансверсальном направлении -30 мм (см. рис. 1.29) соизмерим с расстоянием между боковыми стенками, в таком узком канале не наблюдались, а необратимый срыв пламени при -2,5-3м/с ограничивал диапазон изменения скорости. Такого же порядка скорость срыва в работе [Мальцев, Мальцев, 1977], в которой получены данные для горения образца диаметром 20 мм.
В канале шириной 100 мм диапазон скоростей значительно шире [Боярши-нов, 1989]. На рис. 1.15 показаны данные по тепломассообмену в пламени для U0 70 м/с, которое стабилизировано ребром высотой h = 3 мм. При отсутствии ребра срыв также происходил при /0 3 м/с. Возможно, что образование структур за преградой увеличивается устойчивость горения.
При смешанной конвекции в горизонтальном канале могут возникать структуры, внешний вид которых подобен тем, что были рассмотрены в случае горения на вертикальной стенке. На рис.2.16А показан вид сверху на участок пограничного слоя за ребром. Форма пламени близка к подковообразным образованиям на рис.2.13В, что подтверждает общность газодинамических факторов, ответственных за их возникновение. Светлые продольные полосы, которые являются ножками подковообразных структур, могут иметь значительную протяжённость. В сужающемся канале их длина превышает 0.5 м, рис.2.16Б. Они устойчивы к внешним периодическим возмущениям и могут существовать вплоть до срыва пламени. Например, при создании периодических поперечных колебаний потока на входе в канал продольные структуры могут не разрушаться, а взаимодействовать с поперечными. Примеры такой интерференции, когда образующиеся неоднородности располагаются линейно, показаны на рисунке 2.17 (слева), в шахматном порядке (рис.2.17 справа).
При скорости 3 м/с, когда амплитуда пульсаций 4,6 м/с при частоте 50-60 Гц отмечался срыв пламени (14.03.95+17.11.95).
Таким образом, в проведённых опытах получены предварительные данные о структурах, возникающих при диффузионном горении, о их пределах существования и устойчивости к внешнему периодическому воздействию, к изменению скорости обтекания и пространственной ориентации.
Известны опыты с образованием множественных периодических структур в пространстве между плоскими поверхностями, которые движутся навстречу друг другу [Lee, Garris, 1969, Lee, Garris, 1972]. Очевидно, что в этом случае пламя визуализирует вихри, подобные вихрям Тейлора-Гёртлера в зазоре между коаксиальными цилиндрами [Шлихтшг, 1974]. В случае вращения горение может происходить при сравни тельно высоких скоростях газа. Моделирование крупномасштабных пожаров [Emmons, 1965] проведено в вихревой камере 2.5 м диаметром с вращающимися стенками, изготовленными из сетки. При скорости на периферии 0.5 м/с длина пламени в центре камеры выросла на порядок, а скорость выгорания (ацетон) в четыре раза (круглая ванночка с горючим располагалась на полу в центре вихревой камеры).
Схема экспериментов с горением в вихревой камере изменяемой геометрии. Устойчивость горения достигалась профилированием днища. Положение зоны горения визуализирует область, где радиальная скорость равна скорости распространения пламени.
При вынужденной конвекции вращение используется в камерах сгорания для увеличения времени взаимодействия горючего и окислителя, что улучшает полноту сгорания и снижает выход окислов азота N0 [Гупта, Лилли, Сайред, 1987].
В опытах, проведённых с Волковым А.А., исследовались основные закономерности, определяющие устойчивость горения во вращающемся потоке при вынужденной конвекции. Использовалась демонстрационная вихревая камера с изменяемой геометрией (см. рис.2.18). Плоская передняя крышка была прозрачной. Задняя крышка, на оси которой выхлопная труба (024 мм), обеспечивала возможность изменять профиль камеры так, чтобы площадь проходного сечения для радиального потока газа возрастала с уменьшением радиальной ко-ординаты. Через 23 щели (1x20 мм ) закручивающего аппарата 0150 мм под углом к касательной (а =15) подавалась смесь воздуха с пропан-бутаном. С изменением расхода или состава смеси в случае горения фронт пламени изменял свою радиальную координату. По уровню радиальной скорости оценива лась скорость распространения пламени во вращающемся потоке. В стандартных условиях (горение в стеклянной трубе) она известна [Льюис, Эльбе, 1968] и составляет 0,4 м/с.
Зависимость скорости выгорания от угла раскрытия диффузора. Связь скорости выгорания и структуры потока
Закономерность массообмена с,удвоенной интенсивностью переноса по отношению к исходному ламинарному пограничному слою имеет общий характер. Она проявляется на той же экспериментальной установке не только при наличии горения, но и в его отсутствии.
При исследовании пограничного слоя с испарением и горением этанола пламя в опытах [Бояршшов, 1989] стабилизировалось ребром высотой h = 3 мм. Для выяснения роли горения проводилось сопоставление данных по тепломассообмену, полученных в опытах с горением и без него, но с сохранением ребра, т.е. при одной и той же геометрии канала. В случае без горения закон массопе-реноса за ребром близок к турбулентному. Чтобы определить влияние ребра на скорость испарения без горения, опыты были проведены при плавном сопряжении рабочего участка и конфузора. В этом случае обнаружился сильный разброс полученных результатов, когда для одного и того же значения Rex числа Стентона могли отличаться и в два, и в три раза, рис.3.8. Удовлетворительная воспроизводимость результатов измерений послужила основанием для проведения дальнейшего анализа. На рис.3.8 (справа) те же данные представлены в координатах ц, =/Rex).
Здесь все значения St, полученные в опытах, а также результаты расчёта для турбулентного массопереноса (St = 0.029 Re -2 5с"0-6, наклонная линия) отнесены к стандартной закономерности ламинарного пограничного слоя (5/0 = 0.332-Re 5 5с"0-66), которому на рисунке соответствует ось абсцисс щ,= 1. В турбулентном потоке у/ =stlSt =0.087-Re"3- Видно, что кроме обычного перехода к турбулентному массообмену, есть тенденция к расслоению опытных данных на уровни интенсивности, которым с погрешностью экспериментов (±15%) соответствуют не только удвоенные значения интенсивности щ= 2, но также %=3,4.
Если есть начало отсчёта (St0 - интенсивность переноса в исходном ламинарном пограничном слое) и ожидается кратное её изменение, то целесообразно проводить анализ опытных данных в координатах St(Rex) или St(Re ) с использованием сетки, построенной увеличением интенсивности St0 в два, три и т.д. раз. Такая сетка (см. рис.3.8) позволила бы легко оценить возможности различных методов управления процессами переноса (турбулизация, отрыв, ускорение или торможение потока). С её помощью легко определить уровень интенсификации (превышение коэффициентов переноса над их значениями в стандартных условиях). Удобно оценить уровень подавления тепломассообмена, как степень приближения к физическому пределу - St0.
Сетка (3.16) может быть дополнена зависимостью для «стандартного» турбулентного тепломассопереноса, которая характеризует другой физический предел - полностью хаотизированное, т.е. без крупномасштабных структур, пристенное течение при Rex - оо с малыми отличиями концентраций и температур на стенке и в основном потоке. Вопрос о том, существует ли такой пограничный слой с химическими реакциями, пока не рассматривается. В первом приближении, по-видимому, можно использовать закономерности турбулентного теплообмена [Леонтьев, 1979]: или соотношения для диффузионных чисел Стентона, заменяя в (3.24) числа Прандтля Рг критериями Шмидта Sc.
В обзоре [Ota, Nishiyama, 1987] рассматривались наибольшие уровни коэффициентов переноса, которые были реализованы в экспериментах с отрывными течениями (за ребром, уступом и т.д). На основании анализа более 40 работ получена зависимость для максимального турбулентного теплообмена
Здесь HR = наибольший коэффициент теплообмена, Us - скорость набегающего потока. Очевидно, что для оценки наибольшего уровня интенсивности, который может быть достигнут в конкретном случае тепломассообмена, сетка может включать в себя обобщение [Ota, Nishiyama, 1987] в котором число Прандтля Рг заменяется критериям Шмидта Sc, если рассматривается массообмен. Эта зависимость в диапазоне 8-103 Rex 2-106 с точностью 38,5% обобщает известные опытные данные. Она показана пунктиром на рисунке 3.8.
При наличии отрицательного градиента статического давления (dP/dx 0) расслоение на уровни интенсивности массопереноса сохраняется. На рис.3.9 показаны результаты опытов по испарению этанола в сужающемся канале одной и той же формы, в которых изменялась скорость на входе 2, 4 и 6 м/с, а ребро (стабилизатор) отсутствует. Видно, что полученные значения Stj =ДЯе ) группируются вблизи пересечения линий сетки и расчёта для стандартного турбулентного пограничного слоя. Это даёт возможность сделать оценку продольного масштаба, на котором происходит переход от одного уровня к другому.
Теплообмена на внутренней поверхности конического сопла Лаваля
Известно, что в турбулентном пограничном слое интенсивность теплообмена при ускорении снижается [Kearly, Moffat, Kays, 1970; Roganov, Zabolotsky, Shishov, Leontiev, 1984]. Возрастание скорости выгорания в ускоренном течении, обнаруженное в опытах на рис.4.1, может быть свойством области лами-нарно-турбулентного перехода. Подтвердить это может эксперимент, в котором свойства течения перед ускорением были бы максимально приближены к турбулентным, а при его ускорении было бы зарегистрировано снижение .SV(Re).
Такой эксперимент был проведён. Степень турбулентности набегающего потока была наибольшей, которую могла обеспечить экспериментальная установка, Ти0 = 26%. Скорость воздуха была увеличена до предела, когда ещё не возникал срыв пламени при заданном уровне турбулентности, Us = 6,5 м/с. Кроме того, участок ускорения начинался при Re 300, т.е. в турбулентной области пограничного слоя. Значение параметра Кейса К = (vIU20){dU01dx) =
В предварительных опытах было установлено, что область изменения скорости обтекания ограничена, рис.4.3А. Она зависит от высоты ребра и степени турбулентности на входе в канал. Для /г=3мм скорость срыва пламени составляет Щ - 78,8 м/с, она уменьшается с ростом турбулентности: если Ти0 = 18%, то Ub = 29,7 м/с; если Ти0 = 26%, то Щ = 7,8 м/с.
На рис.4.3Б показаны опытные данные по массопереносу в пограничном слое с горением при повышенной турбулентности набегающего потока и при скорости воздуха близкой к скорости срыва. Видно, что в общем случае ход изменения коэффициентов St(Re ) не соответствует турбулентному массопереносу. Лишь для Ти0 - 26% опытные данные согласуются с расчётом, характерным для турбулентного пограничного слоя St (Re )" э, причём с расчётом для «стандартного» турбулентного массопереноса без горения. То, что диапазон существования пламени значительно сужается до 1/ь 7,8 м/с, означает, что турбулентный массоперенос, по-видимому, не является типичным процессом для пограничного слоя с диффузионным горением. Возможно, что турбулентный массоперенос - это действительно физический предел, при котором конвективные скорости переноса реагентов в зону горения и скорости отвода продуктов сгорания начинают превосходить возможности процесса химического реагирования, в котором смешение и взаимодействие происходит на молекулярном уровне, т.е. определяется диффузионными скоростями, конечной ве-величиной скорости горения.
При Ти0 = 26% и Us = 6,5 м/с профиль канала был изменён, чтобы участок ускорения начинался при Re 300. Из рисунка 4.3Б видно, если массоперенос без ускорения действительно был близок к турбулентному то, в отличие от данных рис.4.1, при ускорении происходит не возрастание, а снижение коэффициентов переноса, как в известных случаях ускорения турбулентного пограничного слоя. Таким образом, независимо от того есть горение или нет, при ускорении турбулентного пограничного слоя интенсивность массопереноса снижается. При горении область существования турбулентного течения сильно сужается и ограничивается предсрывными режимами при высоком уровне турбулентности на входе в канал. Основное состояние химически реагирующего пограничного слоя - переходное, интенсификация массопереноса при ускорении и возникновение уровней - это свойство переходного режима течения.
Почему коэффициенты переноса при ускорении в одних случаях снижаются, а в других увеличиваются? Число Стентона по определению характеризует связь параметров на стенке и в ядре потока St qJU0: Она осуществляется опосредованно, через пограничный слой. В турбулентном случае эта связь сравнительно слабая qw -Re"0 2, т.к. передача воздействия со стороны основного течения на пристенную область происходит через толстый слой хаотически движущегося газа. Возрастание qw отстаёт от U0, и числа Стентона снижаются. В переходном режиме прямое воздействие внешнего течения U0(x) на пристенную область происходит через крупномасштабные организованные структуры, наблюдаемые в пограничном слое (рис.2.26 от 03.10.94). Поэтому в экспериментах в сужающемся канале регистрируется скорость выгорания более высокая, чем в ламинарном пограничном слое.
Цель экспериментов с циклическим воздействием на реагирующий пограничный слой - сравнить результат применения возмущений разного масштаба (ускорение, стационарный и периодический вдув), проверить устойчивость расслоения опытных данных к изменению характера внешнего газодинамического воздействия. Подобные опыты фактически отражают влияние на процессы переноса когерентных структур. На рис.2.17 был показан внешний вид пламени при взаимодействии продольных и поперечных структур. Их вклад в тепломас сообмен изучен недостаточно, неизвестно отличие от воздействия апериодических (турбулентных) пульсаций.
Схема опытов по моделированию когерентных структур при горении показана на рис.4.4 (слева). Во входном сечении канала перед первой пористой пластиной заподлицо с ней был установлен выход из прямоугольного канала-щели 8x80 мм. Щель сообщалась с полостью над диффузором акустического динамика, на который подавалось напряжение от звукового генератора ГЗ-112/1, при включении которого возбуждались поперечные пульсации в воздушном потоке. Амплитуда пульсаций скорости в щелях, определена из термоанемо-метрических измерений. Она зависела от частоты (10ч-100 Гц), скорости набегающего потока (1.65-гЮ м/с), при её уменьшении достигала 0,45 м/с (наибольший уровень v = 4,6 м/с при 60 Гц и U0 = 1 м/с, 17.11.95).
Данные для первой пористой пластины 0,04 м на некоторых графиках не представлена потому, что при циклическом вдуве передняя кромка пламени колебалась в пределах её длины, т.е. для этой пластины половина времени относится к процессу без горения. Установлено наличие режимов вдува, когда происходит срыв пламени.
