Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА КОМБИНИРОВАННОГО ТЕПЛООБМЕНА 11
1.1 Радиационный теплообмен в движущихся нетеплопроводных средах 11
1.2 Радиационно-конвективный теплообмен в одномерном относительно течения приближении 12
1.3 Радиационно-конвективщ теплообмен при ламинарном движении среды
1.4 Радиационно-конвективный теплообмен при турбулентном движении среды 32
Глава П. РАДИАЩОННО-КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ПЛОСКОМ СЛОЕ СЕЛЕКТИВНО ПОГЛОЩАЮЩЕГО ГАЗА
2.1 Постановка задачи и метод решения 35
2.2 Роль теплофизических факторов в теплообмене 48
2.3 Роль гидродинамических факторов в теплообмене 50
2.4 Влияние оптических свойств границ на теплообмен 56
Глава Ш. РАДИАЩОННО-КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ЛАМИНАРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ НА ПРОНИЦАЕМОЙ ПЛАСТИНЕ 57
3.1 Постановка задачи и метод решения 57
3.2 Роль гидродинамических факторов в теплообмене 67
3.3 Роль оптических свойств 73
3.4 Сравнение результатов расчета с данными других авторов 73
Глава ІV. РАДИАВДОННО-КОНВЕКТИЕНЫЙ ТЕШЮОВШ В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ НА ПРОНИ ЦАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ 80
4.1 Постановка задачи и метод решения 80
4.2 Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными 93
4.3 Роль гидродинамических факторов в теплообмене 98
4.4 Роль числа Больцмана и оптических свойств пластины в теплообмене 101
4.5 0 применимости аддитивного подхода в расчете радиационно-конвективного теплообмена 107
4.6 Сравнение результатов расчета теплообмена в серой и селективно поглощающей средах III
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ 118
ЛИТЕРАТУРА 121
ПРИЛОЖЕНИЕ I 133
ПРИЛОЖЕНИЕ II 136
ПРИЛОЖЕНИЕ Ш 138
ПРИМЕЧАНИЕ 142
- Радиационный теплообмен в движущихся нетеплопроводных средах
- Роль теплофизических факторов в теплообмене
- Роль гидродинамических факторов в теплообмене
- Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными
Введение к работе
Учет взаимодействия излучения с теплопроводностью и конвекцией в процессах переноса тепловой энергии становится весьма актуальной проблемой для условий высоких скоростей, температур и тепловых потоков. Актуальность проблемы объясняется прежде всего обширной областью ее приложений в современных условиях.
Радиационно-конвективный теплообмен, как наиболее общий случай сложного теплообмена, играет большую роль в теплоэнергетике, теплотехнике, химической технологии и пр.
В большинстве случаев, когда приходится иметь дело с большими массами плотного и высокотемпературного газа, поток тепловой энергии излучением может быть сравним или даже превосходить конвективный. Так, по оценкам работы [2J , уже при температуре 3000К и давлении порядка (20*40)10й Па излучение паров воды в камере сгорания приводит к увеличению суммарного теплового потока на 10-30$. Если учесть к тому же, что присутствие твердых частиц (сажи и других примесей) повышает суммарную степень черноты, то нетрудно понять всю остроту проблемы радиационно-конвективного теплообмена в таких условиях,lJ.
Интенсификация теплообмена в различного рода технологических установках и аппаратах новой техники приводит к необходимости создания эффективных систем тепловой защиты. Одним из методов, позволяющих защитить поверхность устройства от перегрева» является применение пористого охлаждения. При вдуве холодного газа или жидкости через поры стенки непосредственно в пристеночный слой набегающего потока толщина этого слоя увеличивается, происходит оттеснение горячего газа от защищаемой поверхности, в результате чего значительно снижается интенсивность теплообмена. Однако при наличии сильного внешнего излучения эффективность такого метода защиты может снижаться. Поэтому возникает необходимость детального изуче- ния теплообмена в условиях взаимодействия различных механизмов теплопереноса вблизи поверхности объекта.
Теоретическое исследование этой проблемы чрезвычайно затруднено из-за наличия многочисленных взаимосвязанных процессов, которые протекают при воздействии высокотемпературного газа на обтекаемую поверхность в реальных условиях. К таким процессам следует отнести прежде всего кондуктивный теплоперенос, или перенос тепла молекулярной теплопроводностью, как в самом газе, так и твердом материале поверхности, конвективный теплоперенос, радиационный теплообмен при наличии испускания, поглощения и рассеяния излучения в газообразной среде, а также отражения его от поверхности. Сюда же необходимо добавить диффузионный перенос тепла и массы,химические реакции в газовой фазе и на границе газ-твердое тело, диссипативные эффекты, ионизацию, диссоциацию и т.д. Естественно, учесть все это многообразие процессов практически невозможно. Отсюда возникает необходимость исследования рассматриваемой проблемы с помощью решения модельных задач. В процессе постановки таких задач осуществляется упрощение реальной ситуации, и принимаются во внимание лишь наиболее существенные с точки зрения влияния на теплообмен процессы.
В настоящей работе проведено решение нескольких задач, моделирующих теплообмен в условиях вдува газообразной среды через пористую поверхность в высокотемпературный поток газа, обтекающий твердое тело.
Рассматривается течение излучающе-поглощающей нерассеивающей среды с постоянными теплофизическими свойствами. Так как скорость движения предполагается существенно дозвуковой, то эффектами сжимаемости и диссипации энергии можно пренебречь. Исследуется диапазон температур, в котором диссоциация и ионизация молекул несущественны. В среде предполагаются выполненными условия существова- ния локального термодинамического равновесия. Границы излучающей системы образованы изотермическими серыми диффузно излучающими и отражающими поверхностями. Процесс радиационного переноса тепловой энергии рассматривается в приближении одномерной схемы.
При расчетах теплообмена излучением в настоящее время широко используется приближение серой среды. Коэффициент поглощения такой гипотетической среды некоторым образом осреднен по всему спектру частот. Однако это приближение далеко не всегда отвечает реальной ситуации Известно, например, что поглощение в газах при умеренных температурах имеет существенно селективный характер, и спектр поглощения представляет собой совокупность полос, разделенных прозрачными "окнами". Если участки прозрачности занимают значительную долю спектра частот, то использование серого приближения может привести к большим погрешностям при расчете потока излучения, [ЮЗ, 119]. Поэтому для учета частотной зависимости коэффициента поглощения в настоящей работе использовался реальный спектр поглощения газа (углекислый газ;[і08і ). Полосы в спектре аппроксимировались кусочно-постоянной функцией. Такой подход позволил более корректно учесть частотную зависимость коэффициента поглощения.
При решении задачи о комбинированном теплообмене в систему определяющих уравнений входят и уравнения, описывающие гидродинамику течения. В предположении отсутствия влияния теплообмена на поле скорости система уравнений гидродинамики может быть решена независимо от уравнения энергии, описывающего поле температур в среде. В работе использованы такие схемы течения, как плоский и пограничный слои. При рассмотрении пограничного слоя отдельно изучались случаи ламинарного и турбулентного режимов течения, проводилось исследование их влияния на теплообмен в условиях массообме-на на поверхности.
Основным содержанием решения задачи о радиационно-конвектив- - 7 -ном теплообмене является отыскание поля температур, для чего необходимо решить уравнение энергии.
Поскольку радиационная составляющая энергии элементарного объема среды является функцией его излучательной способности, то указанное уравнение оказывается нелинейным. Кроме того, процессы обмена излучением элементарного объема с окружающей средой характеризуются конечными расстояниями взвимодействия и являются по своей природе интегральными. Поэтому соответствующее уравнение энергии оказывается нелинейным интегро-дифференциальным, в силу чего получить его решение в аналитически замкнутом виде невозможно. Для решения такого уравнения в настоящей работе применялся численный метод Ньютона-Канторовича с использованием ЭВМ БЗСМ-б. С помощью известного поля температуры находились распределения тепловых потоков как внутри среды, так и вдоль границы газ-твердое тело.
В работе впервые в отечественной практике проведено решение задачи об отыскании поля температур в плоском, ламинарном и турбулентном пограничном слоях на проницаемой поверхности при течении излучающей среды, обладающей селективными поглощательными свойствами. Результаты получены путем численного решения нелинейных ин-тегро-дифференциальных уравнений без каких-либо ограничений на оптическую толщину среды.
Новыми с научной точки зрения являются также результаты по расчету распределения тепловых потоков для только что упомянутых случаев течения.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты могут быть использованы при проектировании систем тепловой защиты объекта, работающего в условиях интенсивного нагрева. Полученные точным численным расчетом результаты могут оказаться полезными при создании упрощенных инженерных методик расчета радиацион-но-конвективного теплообмена.
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
В первой главе представлен обзор современного состояния проблемы расчета радиационно-конвективного теплообмена. Рассмотрены различные типы постановок задач, а также используемые при их решении приближения. Отмечается, что несмотря на достаточно большой объем выполненных расчетно-теоретических исследований, к настоящему времени еще не получено решение рассматриваемой задачи, и проблема в целом далека от своего завершения.
Во второй, третьей и четвертой главах изложены постановки и метод решения задач, моделирующих теплообмен с учетом излучения вблизи твердой поверхности, через которую вдувается селективно поглощающий газ. Рассмотрены три схемы течения: плоский слой (глава П), ламинарный пограничный слой (глава Ш) и турбулентный пограничный слой (глава ІУ). При определении теплового состояния среды основное внимание уделено учету взаимодействия излучения, конвекции и молекулярной теплопроводности, выяснению влияния на теплообмен ряда определяющих параметров , таких как радиационно-конвективное число Больцмана, радиационно-кондуктивное число Старка, скорость вдува, оптические свойства граничных поверхностей. В последней главе специально обсуждается вопрос о применимости аддитивного подхода и приближения серой среды при расчете теплообмена в условиях значительного взаимодействия излучения и конвекции.
В Заключении сформулированы выводы по результатам работы. Результаты численного расчета представлены графически. С целью установления их достоверности проведено сопоставление с работами других авторов.
По теме диссертации опубликовано б печатных работ f Г100-102, 112, ИЗ, 124].
Основные результаты работы докладывались на ХІУ Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 1971г.), на конференциях молодых специалистов Института теплофизики СО АН СССР (Новосибирск, 1971 и 1973гг.).
Работа выполнена в лаборатории радиационно-кондуктивного теплообмена Института теплофизики СО АН СССР (заведующий лабораторией д.т.н. Рубцов Н.А.).
Автор защищает:
Постановку и результаты численного решения задачи о радиа-ционно-конвективном теплообмене в плоском слое селективно поглощающей среды на проницаемой поверхности.
Постановку и результаты численного решения задачи о радиа-ционно-конвективном теплообмене в ламинарном пограничном слое селективно поглощающего газа на пористой пластине.
Постановку и результаты численного решения задачи о радиа-ционно-конвективном теплообмене в турбулентном пограничном слое селективно поглощающего газа на пористой пластине.
Настоящая работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Института теплофизики СО АН СССР по темам: "Разработка теоретических вопросов и экспериментальных исследований радиационного теплообмена в неоднородных средах с учетом поглощения, собственного излучения и анизотропного рассеяния при высоких температурах и интенсивноетях излучения" Координац.план "Теплофизика" (Гос.рег.№ 76019460), "Разработка и развитие общих методов расчета радиационного и сложного теплообмена"
Пост. ГКНТ п.4.1 от ,РАН СССР № I0II03-668 (Гос.рег. & 76019460), "Радиационный и сложный теплообмен" (Гос.per.№ 81030073).
Результаты численного исследования радиационно-/конвективного теплообмена в селективно поглощающем газе на пористой пластине внедрены в Конструкторско-технологическом бюро,о чем имеется соответствующий акт.Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследования является составной частью общего экономического эффекта,полученного Конструкторско-технологическим бюро и Институтом теплофизики СО АН СССР и составляет 140 тыс. рублей (сто сорок тысяч рублей).
Некоторые результаты диссертации вошли в монографию д.т.н., профессора Рубцова Н.А.: "Теплообмен излучением в сплошных средах" - Новосибирск: Наука,Сибирское отделение,1984,-287с. - II -
Радиационный теплообмен в движущихся нетеплопроводных средах
Наиболее распространенным допущением, позволяющим значительно упростить постановку и облегчить решение задачи, является пренебрежение переносом тепловой энергии за счет теплопроводности
Авторы работы 9] применили зональный метод расчета радиационного теплообмена. Такой подход приводит к необходимости решать достаточно сложную систему нелинейных алгебраических уравнений, что возможно только с привлечением быстродействующих ЭВМ.
В \Ч - 5\ было выполнено аналитическое решение задачи, основанное на использовании компенсированного приближения в описании радиационного переноса при отсутствии источников тепловыделения. Рассматривался стационарный режим теплообмена в плоском и цилиндрическом каналах. Задача в данном случае свелась к рассмотрению нелинейного дифференциального уравнения простейшего типа, решение которого представимо в квадратурах. Вычислены температурное поле и некоторые теплообменные характеристики, применяемые в технических приложениях. В результате анализа установлено, что влияние гидродинамических особенностей потока на радиационный теплообмен в движущейся среде оказывается аналогичным для обеих геометрий течения. Был обнаружен экстремальннй характер изменения теплового потока при различных значениях оптической толщины движущейся среды.
Решение задачи в рассматриваемом приближении применительно к условиям работы авиационно-космических систем можно найти в работах [/0-/5].
Несмотря на значительную схематизацию процесса, задачи такого типа позволили выяснить влияние поля скоростей на перенос тепла излучением.
Роль теплофизических факторов в теплообмене
Рассматривается тепловое состояние селективно поглощающего газа, вдуваемого в стабилизированный турбулентный поток аналогичной среды, обтекающей плоскую пластину. Отметим, что подобная постановка задачи в сером приближении осуществлена в работе [19J На рис. 2.1 изображена физическая модель и использованная система координат.
В слое, образованном плоско-параллельными диффузно излучающими поверхностями (1-пористая пластина, 2-граница высокотемпературного потока газа) осуществляется перенос тепла излучением, конвекцией и теплопроводностью в нормальном к границам направлении. Такое приближение является вполне оправданным при рассмотрении теплообмена в пограничном слое в условиях интенсивного вдува через пористую стенку в стабилизированное турбулентное течение,[2 0]. Все физические свойства среды и оптические характеристики граничных поверхностей предполагаются постоянными, независящими от температуры. Объемный коэффициент поглощения среды зависит от частоты излучения, но не изменяется с температурой. На граничных поверхностях заданы краевые условия первого рода. Спектральный коэффициент преломления принят равным единице, что является хорошим приближением для газов в исследуемом диапазоне температур.
Распределение скорости вдуваемого газа предполагается известным, причем рассматривается как случай постоянной скорости поперек слоя, так и меняющейся по определенному закону в соответствии с экспериментальными измерениями в слоях оттеснения. Течение среды предполагается существенно дозвуковым, в силу чего эффектами вязкой диссипации можно пренебречь.
Роль гидродинамических факторов в теплообмене
Применительно к данной постановке задачи в качестве гидродинамических факторов, влияющих на теплообмен, выступает параметр вдува jfy , непосредственно связанный со скоростью вдува.
На рис. 3.2 представлены кривые температурных распределений в нескольких сечениях пограничного слоя в условиях вдува. Этот рисунок иллюстрирует динамику развития теплового пограничного слоя в направлении течения. Там же проведена кривая, соответствующая автомодельному решению (ЗЛ.2І) для температуры в условиях пренебрежения переносом тепла излучением. Хорошо наблюдается деформирование температурного профиля по мере удаления от переднего края пластины. Напомним, что аналогичная тенденция в поведении температурного поля отмечена Замураевым в 3 6 J для случая непроницаемой пластины и серой среды.
Рис. 3.3 иллюстрирует влияние параметра вдува =Г/ на температурное поле. Пунктирные кривые соответствуют условиям отсутствия вдува. Цифрами I обозначены автомодельные решения (3.1.21), со вду-вом и без него, цифрами 2 и 3 отмечены температурные распределения соответственно при 5 = 0 3 и 5 = 0.5.
Видно, что при Js = -I растет толщина теплового пограничного слоя. На рисунке это проявляется в том, что кривые, соответствующие этому значению ff , выходят на асимптоту fc/ = I при больших значениях Уг , чем для кривых, соответствующих отсутствию вдува, т.е. при /j = 0. Физически это означает, что вдуваемый газ при температуре холодной пластины выносится глубже во внешний поток.
Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными
Для проверки адекватности предлагаемой модели теплообмена реальным условиям было проведено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными. Необходимо отметить, что имеется сравнительно немного экспериментальных работ по исследованию радиа-ционно-конвективного теплообмена в турбулентном пограничном слое на пластине.
Экспериментальные данные были заимствованы из работы А.М.Пав-люченко, //#J, которая наиболее соответствует постановке настоящей задачи.
Схема измерительного стенда представлена на рис. 4.4. Стенд является дозвуковой аэродинамической установкой замкнутого типа. Газ после вентилятора I проходит через регулируемый электрический нагреватель 3, затем поступает в сопло 4, срез которого имеет вы соту 32 мм и ширину 132 мм. Среда, истекающая из сопла, распространяется вдоль пластин, расположенных в нижней части измерительного участка б, и представляет собой пристенную турбулентную струю. Измерительный участок б образован шестью нижними пластинами 7 шириной 132 мм, боковыми стенками высотой 180 мм и полуцилиндрической крышей радиусом бб мм. Торцы выше сопла и выхода закрыты. Внутренняя поверхность измерительного участка имеет отражательную способность, близкую к 1.0 (для пластин она равна 0.95). Внутри полуцилиндрической крышки расположен источник теплового излучения 5 из Sc С , который выполнен в виде стержня диаметром 32 мм и имеет степень черноты 0.97. Измерение температуры в пограничном слое производится микротермометром сопротивления, чувствительный элемент которого - вольфрамовая золоченая нить диаметром 20 микрон.
Профиль температуры измерялся на начальном участке пристенной струи на расстоянии 200 мм от среза сопла. В качестве поглощающего газа использовался С0 . Концентрация его составляла 85-90 %, в контур установки он подавался через силикагелевый осушитель 2. Измерения профиля температуры в углекислом газе производились в условиях, когда температура пластины Tj составляла 1ЮС, температура набегающего потока Т о - 55С, а температура нагревателя - 1150 К, при этом значение локального числа Рейнольд-са в исследовавшемся сечении пограничного слоя составлялос3.5 10 . Погрешность измерения температуры, по оценкам автора, не превышала 4 %.
