Введение к работе
Актуальность проблемы. Течения,генерируемые силой плавучести, распространены в природе, во многих областях техники и технологии. Данная работа посвящена исследованию одного из видов таких течений - термогравитационных погранслойных течений у вертикальных поверхностей теплообмена. Эти течения, по мере их развития вдоль поверхности, характеризуются тремя режимами: ламинарным, переходным от ламинарного к турбулентному я турбулентный. КавдыЙ из режимов отличается своей специфической структурой пограничного слоя и характеристиками теплопереноса.
Рассматриваемые термогравитационные процессы даже в ламинарном режиме недостаточно исследованы ввиду их сложности, обусловленной тесной взаимосвязью механизмов генерации течения и теплопереноса, а также из-за влияния многочисленных факторов, например, таких распространенных, но малоисследованных, как термическая стратификация, кривизна теплоотдавдей поверхности и др.
Значительно более сложную и малоисследованную проблему представляют течения в режиме ламинарно-турбулентного перехода и в турбулентном режиме. Недостаток фундаментальных знаний о
> ... .f д ^.. ^ г... .......... і. ..1у-у 4j,^WJU,^^\/t*^V. \J ±*jat у~Л.Л. \^*li-JJ±X
ностл и надежности инженерных методов расчета характеристик теплопереноса и определяет актуальность темы исследований.
Работа выполнены в рамках плановой темы Института теплофизики СО АН СССР "Экспериментальное исследование структуры турбулентных потоков и характеристик турбулентного переноса (Гос. per. ШІ030084 и Гос.per. МП. 86.0103357).
Целью работы является: а) исследование на основе уравнений Буссинеска' в приближении пограничного слоя (ПС) влияния устойчивой термической стратификации и кривизны поверхности теплообмена на структуру ламинарного термогравитационного течения и теплообмен у вертикальных поверхностей; б) экспериментальное комплексное исследование структуры термогравитационного ПС у плоской вертикальной поверхности в режиме ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП).
Научная новизна работы. I. Показана неизвестная ранее возможность автомодельного решения ряда задач ламинарной термогравитационной конвекции у вертикальных плоской и цилиндричео-
кой поверхностей теплообмена при гран, условиях I и П рода.
2. Впервые получено автомодельное решение задач: а) об изо
термической плоской поверхности в жидкости, стратифицированной
по линейному закону; б) об изотермической плоской поверхности с
избыточной температурой, экспоненциально уменьшающейся с высо
той; в) об изотермическом вертикальном цилиндре в стратифициро
ванной по линейному закону жидкости; г)о вертикальном цилиндре
с линейно растущей по высоте температурой поверхности, но с постоянной её избыточной температурой; д) о находящейся в стратифицированной по линейному закону жидкости плоской поверхности с однородный! распределением на ней по высоте плотности теплового потока. В указанных случаях исследовано влияние термической стратификации и кривизны поверхности на структуру течения и теплоотдачу.
3. Проведено комплексное экспериментальное исследование
структуры претерпевающего ламинарно-турбулентный переход погра
ничного слоя у вертикальной поверхности теплообмена, заключаю
щееся в сопоставлении пространственной формы течения с локальны
ми средними по времени и пульсационными характеристиками погра
ничного слоя. Показана корреляция качественно разных стадий тече
ния с локальной теплоотдачей. Исследованы статистические харак
теристики поля температур и поля скорости, а также структура
вторичных течений и механизм ламинарно-турбулентного перехода.
Практическая ценность. I.Результаты исследования автомодельных задач дополняют известные в классической теории термо-гравитационного ПС, дают качественное и количественное представление о влиянии на структуру ламинарного течения и теплоотдачу поверхности следующих факторов: а) устойчивой термической стратификации; б) кривизны поверхности теплообмена. Полученные решения могут быть использованы: а) для теоретического исследования указанных факторов на устойчивость ламинарных течений и ЛТП; б) как тестовые для оценки приближенных методов решения более сложных задач; в) в качестве начального приближения при расчете на ЭВМ неавтомодельных задач.
2. Экспериментальные результаты дополняют фундаментальные представления о взаимосвязи локальных характеристик термогравитационного ПС в качественно различных режимах течения с-его пространственной структурой и могут быть использованы: а) при
разработке моделей неизотермических течений в переходном и турбулентном режимах; б) в качестве тестовых для сравнения с результатами численных экспериментов; в) при расчетах теплооб-меншх устройств в режиме свободной конвекции.
Достоверность результатов численного решения автомодельных уравнений' определяется: I) тщательной отработкой и тестированием программ численных расчетов; 2) совпадением результатов при использовании нескольких различных алгоритмов численного решения; 3) соответствием полученных результатов данным других авторов, опубликованным позднее. Достоверность экспериментальных данных определяется применением разработанных и всесторонне апробированных' в ИГ СО АН СССР экспериментальных методик и подтверждается хорошей воспроизводимостью полученных результатов.
Автор защищает результаты: а) аналитического и численного исследования автомодельных задач ламинарной термогравитационной конвекции у вертикальной плоской и цилиндрической поверхностей теплообмена при" граничных условиях I и П рода; б) экспериментального исследования взаимосвязи пространственной структуры термогравитационного течения и локальных характеристик ПС (средние профили температуры, скорости, локальная теплоотдача, их дисперсии, выборочные опенки спектральной плотности пульсаций температуры) в условиях ламинарно-турбулентного перехода.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, "заключения, списка литературы из 101 наименования и приложения, содержит 167 страниц основного текста, 66 рисунков и 7 таблиц. Общий объем работы 235 страниц.