Введение к работе
Актуальность работы
Течения с фазовыми и химическими превращениями чрезвычайно широко распространены в авиационно-космической технике, химической технологии, энергетике. Экспериментальному и теоретическому изучению газодинамических и теплофизических процессов, сопровождающих газофазное горение, посвящено огромное количество работ, как у нас в стране, так и за рубежом. Подробно исследованы многие аспекты этой сложной проблемы. Однако в реальных условиях процессы горения, как правило, сопровождаются целым спектром сопутствующих факторов, таких как изменение агрегатного состояния, интенсивный вдув реагирующего вещества, повышенная степень турбулентности потока, наличие продольного градиента давления и др. Все это создает значительные трудности, как при экспериментальном, так и при математическом моделировании. Особенно сложными становятся экспериментальные методы исследования, погрешность которых может возрастать в связи с высоким уровнем температур, неравновесностью состава, ограниченностью, а порой и невозможностью использования зондовых методов диагностики.
В этой связи существенную роль начинает приобретать численное моделирование, которое позволяет оценить вклад того или иного фактора в общую картину процесса и проводить исследования в самом широком диапазоне параметров.
Рассматриваемые в диссертационной работе проблемы имеют и фундаментальный интерес. Понимание физического механизма взаимосвязи совместно протекающих процессов оказывается важным для создания новых теоретических моделей.
Цель работы состоит в численном исследовании структуры течения и тепломассообмена в ламинарных и турбулентных пристенных многокомпонентных потоках со вдувом инородных газов, при наличии фазовых переходов на пористой поверхности (испарение, конденсация), а также при вдуве химически реагирующих веществ. Были поставлены и решены следующие задачи:
Исследование пограничного слоя на плоской поверхности с
испарением или конденсацией, выявление влияния определяющих параметров на закономерности тепло- и массообмена;
Выявление физического механизма влияния факторов,
сопровождающих процесс горения на процессы ламиниризации течения и последующей его турбулизации;
Определение физических особенностей воздействия продольного
градиента давления и сил плавучести на осредненные и пульсационные характеристики пограничного слоя, а также на трение и тепломассообмен как в реагирующем, так и в нереагирующем случаях;
Определение условий стабильного горения в ламинарном и
турбулентном пограничном слое и механизма погасания пламени
Изучение механизма стабилизации горения в отрывном пристенном
потоке, получение закономерностей тепломассообмена в такого рода течениях.
Научная новизна представленной диссертационной работы заключается в разработке комплекса программ численного моделирования ламинарных и турбулентных течений при наличии вдува, фазовых превращений и горения. Проанализированы различные модели турбулентности и горения, установлены границы их применимости для изучаемых задач.
В результате моделирования определены границы применимости аналогии Рейнольдса для пограничных слоев с инородным вдувом, а также при наличии адиабатического испарения и конденсации парогазовой смеси.
Получены результаты численного моделирования, согласующиеся с экспериментальными данными по погасанию пламени в пристенном течении со вдувом топлива через пористую поверхность. Разработана принципиально новая модель погасания пламени в пограничном слое.
Впервые проанализирован вклад в тепломассоперенос всего спектра возмущающих факторов при горении в пограничном слое при вариации параметра вдува, фазовых переходов, продольного градиента давления, отрыва потока, неоднородности состава, сил плавучести и других факторов. Показано, что горение в пограничном слое приводит к сильному (в 3-5 раз) снижению трения по сравнением со случаем без горения.
Впервые теоретически показано, что отрицательный продольный градиент давления, как и ускоряющее влияние сил плавучести, приводит к сильной деформации профиля скорости в пограничном слое с горением, который принимает вид близкий к профилю скорости в пристенной струе. В отличие от нереагирующих потоков продольное ускорение вызывает интенсификацию процессов тепло- и массообмена.
Практическая значимость результатов заключается в получении ряда зависимостей и рекомендаций, позволяющих проводить инженерный анализ турбулентных пристенных течений со вдувом, фазовыми и химическими превращениями. Полученные закономерности снижения трения при совместном воздействии вдува и горения могут быть использованы для разработки методов снижения сопротивления тел при полете. Данные о тепломассообмене на пористой поверхности при фазовых и химических превращениях представляют интерес с точки зрения проектирования энергоустановок, при решении задач химической промышленности и проблем теплозащиты стенки в высокотемпературном потоке.
Автор защищает
Результаты численного моделирования процессов тепломассообмена в
ламинарных и турбулентных пограничных слоях с инородным
вдувом, испарением (конденсацией) и границы применимости тройной аналогии Рейнольдса для процессов тепломассообмена.
Данные численного исследования и модель погасания пламени в
ламинарном и турбулентном пограничном слое на проницаемой поверхности
Результаты исследования влияния интенсивности вдува на
закономерности тепломассообмена и трения, а также границы ламиниризации и турбулизации течения за счет тепловыделения в пограничном слое и воздействия вдува.
Комплексные данные по влиянию продольного отрицательного
градиента давления на деформацию профиля скорости с образованием максимума в пристенной области и интенсификацию трения и теплообмена.
Результаты численного анализа влияния сил плавучести на структуру
течения и теплообмен в реагирующих и нереагирующих пристенных потоках
Данные о структуре течения, тепло- и массообмене в отрывном
реагирующем потоке у пористой пластины.
Достоверность и обоснованность результатов основывается на тщательном тестировании математических моделей и их численной реализации путем сопоставления с точными решениями уравнений пограничного слоя, экспериментальными данными, полученными как в ИТ СО РАН, так и многими другими авторами, и рядом общепринятых методов верификации результатов численного моделирования.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены лично автором. Автором разработан и верифицирован комплекс программного обеспечения для проведения численного моделирования, проделаны сопоставления с данными опытных и теоретических исследований, получены и проанализированы результаты моделирования ламинарных и турбулентных пристенных течений со вдувом, испарением и горением.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных симпозиумах и конференциях:
3, 4 и 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, Россия, 2002, 2006, 2010); 6th, 7th Int. Symposium on Heat Transfer (ISHT"08) (Beijing, China, 2004, 2008); 15th Int. Conference Methods of Aerophysical Research (ICMAR) (Novosibirsk, Russia, 2010); 29-ый Сибирский теплофизический семинар (Новосибирск, 2010); V, VI, 14-ый Минский международный форум по тепло- и массообмену (Минск, Беларусь, 2004, 2008, 2012), 4th Int. Conference on Сотр. Heat and Mass Transfer (Paris-Cachan, France, 2005), 8th Int. Conf. on Multiphase Flow ICMF (Jeju, Когеаб 2013), 14th International Heat Transfer Conference, IHTC14, (Washington, DC, USA, 2010), 7th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and
Thermodynamics, (Antalya, Turkey, 2010), Advances in Computation Heat Transfer (Marrakesh, Morocco, 2008), 6th International Seminar on Flame Structure (6th ISFS, Brussels, Belgium, 2008) и ряде других.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 46 работ, в том числе 16 - в ведущих отечественных и зарубежных журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций. В данных публикациях в полной мере отражены основные научные результаты работы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из шести глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 270 стр., 100 рис., 6 таблиц.
