Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 9
1. ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АЭРОДИНАМИКИ И
ТЕПЛООБМЕНА ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА В КАНАЛЕ 12
Основные закономерности аэродинамики закрученных потоков . 12
Тепломассообмен и трение в закрученных
потоках 19
1.3. Влияние массовых сил на турбулентный
перенос 29
2. ТУРБУЛЕНТНЫЙ ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ НА КРИВОЛИНЕЙНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ 36
Учет влияния массовых сил на турбулентный перенос вблизи криволинейной поверхности. . . 36
Закон тепломассообмена и трения для турбулентного пограничного слоя на криволинейной поверхности 43
Решение интегрального соотношения импульса на криволинейной поверхности. Сопоставление
с экспериментом 48
2.4. Аппроксимации расчетных зависимостей и
некоторые частные случаи течения вблизи
криволинейной поверхности 53
3. ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ ПОЛНОСТЬЮ ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА
В КАНАЛЕ 61
Решение уравнений импульса и энергии для пограничного слоя закрученного потока 61
Влияние массовых сил на турбулентный перенос
в закрученном течении 66
3.3. Анализ полученных результатов и сравнение
с экспериментальными данными 68
4. ЗАКРУЧЕННАЯ ГАЗОВАЯ ЗАВЕСА 78
4.1. Аналогия между изменением циркуляции и
безразмерной адиабатической температуры
в закрученной завесе 78
Влияние закрутки потока и неизотермичности на заполненность профиля скорости 87
Расчет длины начального участка закрученной газовой завесы 91
Потери закрутки потока на трение в канале. ... 96
Оценка влияния различных факторов на эффективность завесы, закрутку потока и теплообмен 98
Экспериментальное исследование закрученной
завесы и анализ полученных результатов 99
5. ЗАКРУЧЕННАЯ ПРИСТЕННАЯ СТРУЯ СО СЛАБОЙ СПУТНОСТЬЮ. . . Цб
5.1. Аэродинамика закрученной пристенной струи,
(т > t ) 116
5.2. Теплообмен закрученной струи со стенкой при
наличии и отсутствии диафрагмы на выходе из
канала 124
ВЫВОДЫ 144
ЛИТЕРАТУРА 14б
- ч -
ПРИЛОЖЕНИЕ I. ПРОЦЕСС ТЕШЮОБМЕНА В ВИХРЕВОМ ПЛАЗМЕННОМ
РЕАКТОРЕ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ПОРОШКА МЕТАЛЛА, . . 161
1. Постановка задачи, динамика частицы в вихревой
камере 162
2. Теплообмен частиц в вихревой камере с
плазменным столбом 169
3. Теплообмен между стенкой камеры и газовым
потоком при попадании нагретых частиц на
стенку аппарата 173
4. Обсуждение результатов расчета 175
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ТЕХНИЧЕСКАЯ СПРАВКА 182
ПРИМЕЧАНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ
Г » V7 » 2 - радиальная, тангенциальная и осевая координаты в цилиндрической системе координат
U- скорость
р - давление
р - плотность
Т - температура JW - динамическая вязкость V - кинематическая вязкость Л - теплопроводность
Ср - теплоемкость при постоянном давлении Т - касательное напряжение о - плотность теплового потока ft - радиус трубы
і м
- толщина по-
тери импульса
б"= і pSl f/-1)^" *)dy -толщина по-
0 -Ло ^20 v ' о
тери энергии
f 1"
Z.
-*- - лт _ коэффициент трения
* />гу
п _. __ - число Рейнольдса
,** /г
1*1*
... _ г/га
- число Рейнольдса построенное по толщине потери импульса
ті& _ _Ji— _ число Рейнольдса по параметрам
в щели
5 - высота щели
- длина линии тока
L - длина вихревой камеры
&К " диаметр камеры
Ы0 - диаметр выходного отверстия в камере
ctc - диаметр плазменного столба
V — Уст /^о " ^KT0P неизотермичности St -у* /pCpUi0Ai - число Стантона
^z^icm/P^P^zs^ " числ0 Стантона по параметрам
в щели
Iff — (с//с/0)%** - относительная функция трения при
фиксированном числе Р& *//*, ЦТ , Ці - относительные функции трения, учитывающие неизотермичность, закрутку и кривизну линий тока соответственно
- число Ричардсона изотермического течения на криволинейной поверхности 0) = U/U0 - безразмерная скорость » у/5 - безразмерная координата у = У/&05 ~ безразмерная координата
с- расстояние от стенки до точки, где И -0,5 Um в пристенной струе
Т-Т
t) _ SIH - безразмерная температура
'о ~ 'cm
Q а (Тс^-7^)/(71-Т0) - эффективность завесы
- ? -
Г - ІІуГ - циркуляция
т ~Ps^2s /-Р ^ю "" пар^втр вдува щелевой завесы
W - скорость частицы
й - диаметр частицы
0)о- угловая скорость вращения плазмы /\/и - число Нуссельта Кп - число Кнудсена j> - коэффициент сопротивления Q - количество тепла
ВЕРХНИЕ ИВДЕКСЫ
' (штрих) - пульсационная компонента скорости
- осреднение; безразмерная величина
ж - параметры на адиабатической стенке; параметры без учета потерь на трение
НИЖНИЕ ИНДЕКСЫ
О - изотермический плоский пограничный слой; параметры на внешней границе пограничного слоя; начальное сечение канала
$ - параметры в щели канала; параметры частицы в вихревой камере
э - эффективное значение
t - параметры теплового пограничного слоя; параметры с учетом неизотермичности
/77 - значение величины в точке максимума тангенциальной скорости Г * у » Z - компоненты величины в радиальном, тангенци-
альном и осевом направлениях і - параметры в направлении линии тока cm - параметры на стенке канала
Введение к работе
Актуальность задачи. Закрученные течения и течения вблизи криволинейных поверхностей широко используются в плазменных вихревых аппаратах, пылеуловителях, турбинах и других технических устройствах. Экспериментальное исследование процессов переноса в закрученных турбулентных течениях и создание простых методов расчета, основанных на анализе физических явлений происходящих в закрученных течениях, является важной и актуальной задачей при проектировании конкретных устройств.
Имеющиеся эмпирические обобщения процессов тепломассообмена в вихревых аппаратах, как правило, носят частный характер и могут применяться к конкретному виду технического устройства в исследованном диапазоне параметров. При изменении масштабов устройства или расходных характеристик газа, протекающего через устройство,такие зависимости могут нарушаться.
Имеются также методы расчета,основанные на решении уравнений в частных производных для переноса средних и турбулентных характеристик. Несмотря на то, что эти методы основаны на моделировании физических процессов, происходящих в закрученных потоках, они не получили широкого распространения при проектировании технических устройств в силу своей сложности.
Представляет определенный интерес создание методов расчета, основанных на анализе физических механизмов турбулентного переноса и обладающих определенной общностью и достаточной простотой для проведения инженерных расчетов.
Экспериментальное исследование процесса тепломассопереноса в вихревой камере и в каналах,при наличии закрутки потока,представляет большой интерес. В связи с этим, важным для понимания и проведения расчетов тепломассообмена является? установление
общих закономерностей для закрученного и незакрученного пограничного слоя.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование процессов турбулентного переноса в пограничном слое закрученного потока и течения вблизи криволинейной стенки, при различных способах организации течения. В работе ставилась задача создания простых, но достаточно общих расчетных методик для описания процессов тепломассообмена в закрученных и криволинейных потоках и их экспериментальная проверка.
Научная новизна работы состоит в создании метода расчета тепломассопереноса в пограничном слое закрученного и криволинейного потоков основанного на решении уравнения энергии с учетом совместного влияния закрутки, неизотермичности, массовых сил и физических свойств среды, а также в экспериментальной проверке полученных зависимостей.
Автором выносятся на защиту:
Метод расчета теплообмена и трения в пограничном слое вблизи криволинейной поверхности,с учетом влияния центробежных сил на турбулентный перенос.
Метод расчета теплообмена и трения в пограничном слое закрученного потока, основанный на решении уравнений импульса и энергии для пограничного слоя.
Экспериментальные результаты и методика расчета теплообмена при наличии закрученной газовой завесы.
Экспериментальные результаты по теплообмену и расчетные зависимости для закрученных пристенных струй.
Работа выполнена в лаборатории термохимической аэродинамики Института теплофизики СО АН СССР по темам 81030084 и 8I03008I. Автор глубоко благодарен научному руководителю, д.т.н., профессору Э.П.Волчкову за постановку исследования и
-//-
постоянную помощь и поддержку в проведении исследований и обсуждении результатов работы. Автор также признателен к.т.н. В.И.Терехову за руководство и участие при проведении расчетов и к.т.н. В.П.Лебедеву за руководство и участие при проведении экспериментальных исследований.
-/2 -