Теплообмен и внутренняя структура турбулизированных потоков Эпик, Элеонора Яковлевна

Введение к работе

Одной из основных задач технической теплофизики является разработка новых и усовершенствование, в первую очередь в направлении повышения точности конечного результата, существующих методов расчета конвективного теплообмена и трения в усложненных условиях, характерных для рабочих процессов энергетического и технологического оборудования. Несмотря на значительное ( несколько десятков статей ежегодно) количество публикаций по этим вопросам, точность и универсальность методов расчета указанных процессов в ряде случаев не удовлетворяют требованиям инженерной практики. Основной причиной такого положения является то, что в последние годы в ряде ведущих отраслей техники ( газотурбостроение, двигателестроение, химическое и электротехническое машиностроение и т.д.) наблюдается явно выраженная тенденция к повышению основных параметров рабочего процесса при одновременном увеличении единичной мощности и ресурса агрегатов. При этом не только усложняются условия работы основных деталей и узлов машин, но становится экономически нецелесообразным, а в ряде случаев и технически невозможным, доводка и оптимизация нового оборудования непосредственно в эксплуатационных условиях. Эти обстоятельства вызывают повышение требований к точности тепловых, гидродинамических и прочностных расчетов, проводимых в процессе конструирования соответствующих изделий.

Погрешность указанных расчетов существенно зависит от точности определения коэффициентов теплоотдачи и трения на поверхностях деталей. В тепловом расчете от точности определения коэффициентов теплоотдачи зависят закладываемые в конструкцию

данного аппарата величина теплообменной поверхности и количество переданного тепла, в прочностном - точность определения поля температур, по которому находятся как допустимые для данного материала прочностные характеристики, так и величины термических напряжений, возникающих при неравномерном нагреве; по коэффициентам трения в гидравлическом расчете определяется необходимый для прокачки заданного расхода теплоносителя перепад давления, то есть мощность привода компрессора или насоса.

Опыт отечественных и зарубежных КБ показывает, что для быстрого создания таких изделий как высокотемпературные газотурбинные двигатели, высоконагруженные электрогенераторы и электродвигатели, компактные, теплообменники транспортных двигателей,надежно работающее в экстремальных условиях электро- и радиоэлектронное оборудование и т.п. погрешность методов расчета теплоотдачи и трения в соответствующих системах охлаждения и термостабилизации не должна превышать + 5%. Так, например, для современного газотурбостроения характерно стремление к обеспечению надежной работы лопаток турбины в течение нескольких десятков тысяч часов при максимально допустимой для использованного материала температуре и минимальном расходе охлаждающего воздуха. При таких условиях погрешность расчета температуры охлаждаемых лопаток не должна превышать + (l...I,5)%, что при максимально допустимой в настоящее время для рабочих лопаток температуре 950С составляет +(10...15) град. Это оказывается возможным только тогда, когда погрешность в расчете коэффициентов теплоотдачи со стороны газа не превышает + (5...7)% /"118,165,280^7. Исключительно большая сложность обеспечения такой точности станет ещё более очевидной, если вспомнить, что теплообмен на поверхности лопаток турбин происходит при обтекании их сильно

10 возмущенным (турбулизированным) потоком сжимаемого газа, при больших (изменяющихся вдоль контура по величине, а иногда и знаку) градиентах скорости, значительных разностях температуры газа и поверхности, воздействий поля массовых сил, наличии продольной неизотермичности и т.п. /"23,60,62,63,64,65,116,123, I60,299,315,455,527.7.

Отчетливо проявляющееся в последние годы стремление к рациональному и наиболее полному использованию топлива стимулирует все более широкое применение в народном хозяйстве теплооб-менных аппаратов различных типов. Достаточно часто, особенно в промышленной и коммунальной энергетике, габариты ( и соответственно, металлоемкость) теплообменников оказываются неоправданно завышенными из-за того, что их тепловые расчеты проводятся по весьма приближенным зависимостям, не учитывающим влияния на интенсивность теплообмена ряда параметров. Использование более современных методов расчета конвективного теплообмена и трения позволяет создать компактные тешюобменные аппараты, имеющие на 25...40% меньшую металлоемкость и на 10...15% пониженные эксплуатационные затраты энергии. Последнее наиболее важно для теплообменников, использующих в качестве одного (или обоих ) теплоносителей воздух. В связи с повышением стоимости воды и её дефицитностью в ряде районов такие теплообменники получают в последнее время все более широкое распространение в промышленной энергетике (в частности, на компрессорных станциях га-зо- и нефтепроводов), химической и металлургической промышленности /"99,106,262,263,298J.

К задаче повышения точности методов расчета конвективного теплообмена тесно примыкает и другая: изыскание новых методов интенсификации процессов переноса тепла, интенсивность которых в ряде случаев определяет габариты ( и, следовательно,

металлоёмкость) теплотехнического оборудования или его производительность. Эта задача, особенно актуальная для транспортных двигателей всех типов, может быть решена только при глубоком проникновении во внутренний механизм процессов переноса тепла и импульса, установлении их общих закономерностей.

Всё вышеизложенное стимулирует проведение экспериментальных и теоретических исследований закономерностей конвективного теплообмена, внутреннего механизма переноса тепла и импульса в усложненных, характерных для технических устройств условиях. Эти исследования представляются весьма актуальными в прикладном отношении: в их проведении заинтересованы КБ ряда ведущих отраслей народного хозяйства. Поэтому для работ последнего десятилетия характерным является не только стремление ко все более глубокому проникновению во внутренний механизм изучаемых процессов, но и к завершению исследований получением расчетных методов и соотношений, предназначенных для использования в инженерной практике.

Создание обладающих высокой точностью методов расчета конвективного теплообмена и трения в усложненных, имеющих место в реальных теплотехнических устройствах, условиях невозможно без детального изучения зависимости интенсивности указанных процессов от всех гидродинамических и тепловых параметров, могущих оказать влияние на их протекание. Одним из таких параметров,привлекающих к себе внимание все большего числа исследователей,является турбулентность потоков теплоносителей.

Несмотря на то, что первые данные о влиянии турбулентности на сопротивление и средний теплообмен обтекаемых тел были получены в середине 30-х годов /~278,279,287_7, из-за большой сложности экспериментального изучения характеристик турбулентности, необходимости использования сложной (и дорогостоящей) из-

12 мерительной и вычислительной электронной техники систематические исследования этого вопроса начались только в конце шестидесятых годов. К этому времени были получены многочисленные и во многом противоречивые данные о влиянии турбулентности потока на интенсивность конвективного теплообмена. Так, например, все исследователи отмечали заметную ( до 80%) интенсификацию теплообмена на лобовой поверхности поперечно-обтекаемых цилиндров и сфер /~В37, 372,377,413,415,416,417,446,454,478,508,513,532 и др._7,то есть в ламинарном пограничном слое при продольном положительном градиенте скорости, В то же время при продольном безградиентном обтекании пластины увеличение турбулентности приводило к смещению вверх по потоку области ламинарно-турбулентного перехода /~283__7, но не оказывало влияния на теплообмен ни в ламинарном /~415_7»ни в турбулентном /~357_7 пограничных слоях. Отмечая это ппримеча-тельное и неожиданное обстоятельство", Г.Шлихтинг(/"2837 стр.302) делает вывод о том, что итурбулентность внешнего течения влияет на местную теплоотдачу только при наличии градиента давления". Аналогичные, хотя и более осторожные выводы о влиянии турбулентности на процессы переноса тепла и импульса в пограничном слое пластины сделаны и в известной монографии И.О. Хинце (~2.69_J_t стр. 645 ).

Однако примерно в это же время в ИТТФ АН УССР было обнаружено заметное (на 20...80%) влияние турбулентности потока воздуха на теплообмен в начальном участке круглой трубы /"67,68,69, 70,71_7 (^{то есть в} турбулентном слабо ускоренном пограничном слое), а в совместном исследовании ИТТФ АН УССР и ТМЗ прямыми опытами показано, что в турбине при повышенной турбулентности рабочего тела интенсивность теплообмена на поверхности профиля лопатки также на 20...80% выше, чем при обтекании этой же лопат-

ки слабо турбулизированным потоком в аэродинамической трубе /~63,64,65,І60_7. ^Б опытах МЭИ /~29,30_7 и ЦКТИ /"124.7 было обнаружено качественно аналогичное влияние турбулентности потока на величину коэффициента профильных потерь решеток турбинных лопаток, то есть на коэффициенты трения на их поверхности.

Приведенные выше данные показали, во-первых, несомненную практическую и научную актуальность получения надежной экспериментальной информации о закономерностях теплообмена и трения при обтекании различных тел (в первую очередь, деталей и элементов турбомашин, теплообменников и другого теплотехнического оборудования) турбулизированным потоком; во-вторых, по меньшей мере сомнительность приведенных выше соображений Г.Шлихтин-га и И.О. Хинце (разделявшихся в то время и рядом других видных ученых-теплофизиков и аэродинамиков ).

На основании опыта, полученного при выполнении исследований /"63,64,65,67,68,69,70,71,160,288_7, ознакомления с постановкой аналогичных по направленности (или близких по тематике) работ в ведущих научно-исследовательских организациях нашей страны (ИВТ АН СССР; ИТФ, ИТПМ и ИГМ СО АН СССР; ЦКТИ; МЭЙ и др.) и анализа зарубежной периодической литературы была разработана программа систематических комплексных исследований закономерностей и внутреннего механизма переноса тепла и импульса в турбулизированных потоках. Эта программа была также увязана с потребностями промышленности*: работами по созданию новых и усовершенствованию существующих систем воздушного охлаждения и теп-

³⁶ Работы такого плана являются традиционными для отдела ЙТТФ АН УССР, в котором выполнялось настоящее исследование; они проводятся в тесном содружестве с ведущими конструкторскими и научно-исследовательскими организациями по газотурбостроению. Представление об их направленности, научном уровне и объёме можно получить из монографии /~280_7-

лообменных аппаратов для высокотемпературных газотурбинных двигателей различного назначения.

Цель этих комплексных исследований состоит в:

выявлении механизма процессов переноса тепла и импульса в турбулизированных потоках на основе детального изучения их внутренней структуры;

разработке инженерных методов расчета теплообмена и трения в турбулизированных потоках ( в том числе в проточной части теплотехнического оборудования);

расширении имеющихся представлений об общих закономерностях и механизме переноса тепла и импульса в пристенных пограничных слоях.

Учитывающая эти цели программа работ предусматривала проведение исследований в следующих основных направлениях:

экспериментальное изучение характеристик турбулентности рабочего тела в проточной части теплотехнического оборудования (турбомашины, теплообменники и т.п.), создание методов и средств физического моделирования и воспроизведения турбулизированных потоков в лабораторных условиях;

экспериментальное изучение характеристик внутренней структуры турбулентных и турбулизированных потоков, механизма переноса в них тепла и импульса, разработка физичесіш обоснованной модели переноса в турбулизированных течениях различного типа (пристенные ламинарные и турбулентные пограничные слои, отрывные зоны);

экспериментальное изучение закономерностей теплообмена и трения при обтекании типичных элементов теплотехнического оборудования (круговой цилиндр, пластина, профиль турбинной лопатки) турбулизированным потоком, получение физически обосно -

ванных уравнений подобия для инженерных расчетов этих процессов;

- разработка методики расчета пристенных пограничных сло
ев турбулизированных потоков на основе численного решения систе
мы соответствующих дифференциальных уравнений с помощью различ
ных моделей переноса, получение универсальных эмпирических зави
симостей, позволяющих использовать для расчета пристенных погра
ничных слоев турбулизированных потоков существующие методы.

Поскольку основным методом выполнения указанных выше работ являлся физический эксперимент, программа предусматривала также проведение ряда методических исследований, имевших своей целью обеспечение максимально возможной точности экспериментального определения численных значений различных характеристик турбулентности. Основными направлениями этих вспомогательных, но представляющих самостоятельную научную и прикладную ценность исследований являлись:

дальнейшее развитие техники измерений характеристик турбулентности термоанемометрами с нагретой нитью, создание универсальных методов вторичной обработки результатов измерений, обеспечивающих их взаимопроверку; экспериментальная отработка оптимальных ( с точки зрения точности и трудоёмкости) измерительных комплексов и конструкций их отдельных узлов;

разработка и создание контрольных образцов турбулизированных и турбулентных потоков ( т.н. итестов турбулентности"), получение для них требуемого объёма статистически обоснованной информации.

Изложенная выше программа работ в основном была выполнена при нашем непосредственном участии и научном руководстве в 1970-1980 гг. Эти исследования, обобщенные в настоящей диссертации, проводились по планам научно-исследовательских работ

ИТТФ АН УССР и важнейших работ по комплексным проблемам АН СССР и АН УССР иТеплофизика" (темы: _пКомплексное исследование теплопередачи в условиях, характерных для рабочего процесса высокотемпературных двигателей с целью создания принципиально новых методов тепловой защиты их деталей", № гос. регистрации 680011075; ^Исследование закономерностей и механизма влияния турбулентности потока на конвективный теплообмен", № гос. регистрации 71050172; «Исследование закономерностей турбулентного переноса тепла и импульса в искусственно турбулизированных потоках", № гос. регистрации 76043237; _пСоздать установки, обеспечивающие получение и воспроизведение воздушных потоков со скоростями в диапазоне от I до 100 м/с, степенью турбулентности от 0,5 до 20%", № гос.регистрации 79002038; _пИсследование теплообмена и микроструктуры, искусственно турбулизированных струй и пристенных пограничных слоев", № гос. регистрации 81022675 ).

Кроме того, в диссертации использованы отдельные результаты работ, выполнявшихся при нашем непосредственном творческом участии и научном руководстве по планам двустороннего научного сотрудничества ИТТФ АН УССР и ЙПМ ПАН, ИТТФ АН УССР и ИТМ ЧСАН; договорам социалистического содружества ИТТФ АН УССР с ИТПМ СО АН СССР, ИФТПЭ АН ЛитССР и др., а также хозяйственным договорам с предприятиями Минэнергомаша, Минавиапрома, Миноборонпрома, Мин-судпрома, Минобщемаша и др.

Настоящая диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения.

Во введении показана актуальность изучения процессов теп-лопереноса в турбулизированных потоках, изложены основные задачи исследований и программа их выполнения.

Первая глава посвящена изложению разработанного в процес-

17 се выполнения настоящей работы общего подхода к изучению закономерностей и механизма процессов переноса тепла и импульса в турбулизированных потоках. Результатами многочисленных экспериментов показано, что турбулизированные бессдвиговые потоки целесообразно рассматривать как потоки некой специфической жидкости ( в общем смысле слова), обладающей повышенными и зависящими от характеристик внутренней структуры турбулентности эффективными коэффициентами переноса-вязкостью и теплопроводностью. Для определения численных значений этих коэффициентов в диссертации используются специально модифицированные двухпараметриче-ские модели турбулентности „энергия-масштаб" и „энергия-диссипация", для которых автором разработаны методы определения входящих в них параметров и коэффициентов по непосредственно измеряемым в экспериментах характеристикам внутренней структуры турбулентности.

Универсальность и надежность предложенного подхода иллюстрируется в этой главе результатами соответствующей обработки данных специально проведенных в процессе выполнения настоящей работы экспериментов по изучению внутренней структуры „эталонных" турбулентных потоков (стабилизированного турбулентного течения в трубе, в пограничном слое пластины при Ти^ -»-0 и за решетками в аэродинамических трубах), а также турбулизированных потоков теплоносителей реальных теплотехнических устройств.

Бо второй главе приведены основные характеристики использованных в настоящей работе экспериментальных установок и созданных в них турбулизированных потоков. Показана зависимость внутренней структуры этих потоков от геометрических и режимных параметров использованных генераторов турбулентности и расстояния от генератора до рассматриваемого сечения. Для используемых в

дальнейшем изложении результатов экспериментов приведены основные характеристики турбулентности внешнего потока: величины компонент пульсаций скорости, степень турбулентности, её кинетическая энергия и диссипация, значения турбулентной и эффективной вязкостей, основных пространственных масштабов турбулентности и

т.п.

Третья глава посвящена анализу особенностей влияния турбулентности внешнего потока на внутреннюю структуру ламинарного пограничного слоя пластины и интенсивность происходящих в нём процессов теплообмена и трения. Приведены обширные экспериментальные данные о распределении в пределах пограничного слоя средних во времени и пульсационных характеристик, их изменении по длине пластины. Показана трехмерность образующихся при приближении к области перехода турбулентных пятен, нелинейность взаимодействия с пограничным слоем возмущений различных частот, присутствующих в реальных турбулизированных внешних потоках.

Обнаружено, что интенсивное взаимодействие турбулизиро-ванного потока с пограничным слоем происходит в области, расположенной над его внешней границей и названной в работе „внешним надслоем". Во внешнем надслое, толщина которого зависит от соотношения между масштабом турбулентности внешнего потока и толщиной пограничного слоя в данном сечении, существенно уменьшается величина нормальной к поверхности компоненты пульсаций скорости и характерный масштаб энергосодержащих вихрей, следствием чего является снижение эффективной вязкости на внешней границе пограничного слоя по сравнению с её величиною в свободном потоке. Приведены эмпирические зависимости для учета указанного явления.

Определены универсальные формы распределений по толщине

пограничного слоя эффективной вязкости, кинетической энергии

19 турбулентности, её диссипации и характерных масштабов. Состав -лен баланс кинетической энергии турбулентности, показавший, в частности, соизмеримость её переноса нормальными напряжениями Рейнольдса и конвекцией.

На основании предложенного в первой главе подхода разработана схема расчета теплообмена и трения в псевдоламинарном пограничном слое на основе модифицированных моделей турбулентности пэнергия-масштаб" и _пэнергия-дисеипация", обеспечивающих удовлетворительное обобщение экспериментальных данных настоящего иссле -дования.

Получены эмпирические зависимости для определения при повышенной турбулентности внешнего потока координаты начала лами -нарно-турбулентного перехода, изменения по длине пластины ( в пределах пограничного слоя) нормальных напряжений Рейнольдса и т.п. Показана возможность использования изложенного подхода ( в том числе схемы определения эффективных коэффициентов переноса ) при численном решении дифференциальных уравнений псевдоламинар -ного пограничного слоя.

В четвертой главе диссертации рассмотрены основные ха -рактеристики внутренней структуры, закономерности теплообмена и трения в турбулентном пограничном слое пластины, обтекаемой турбулизированным воздушным потоком. На основании материалов первой главы разработаны методы определения эффективных коэффициентов переноса для турбулентного и псевдотурбулентного пограничных слоев с помощью модифицированных моделей турбулентности пэнергия-масштаб" и _пэнергия-диссипация".

Показано, что турбулентность внешнего потока оказывает наи' более существенное влияние на параметр профиля; обработкой полу-

ченных опытных данных ( а также данных, опубликованных другими авторами) получены эмпирические зависимости для определения численного значения параметра профиля при различной турбулентной вязкости внешнего потока. Разработан интегральный метод расчета турбулентного пограничного слоя пластины при повышенной турбулентности внешнего потока. Расчетным путем получены зависимости для определения характерных толщщн пограничного слоя, коэффициентов теплообмена и трения, удовлетворительно описывающие экспериментальные данные как настоящего исследования, так и других авторов.

Приведены экспериментальные данные о влиянии турбулентности внешнего потока на распределение по толщине турбулентного пограничного слоя основных характеристик турбулентностикомпонент пульсаций скорости, кинетической энергии турбулентности, её диссипации, характерных масштабов, эффективной вязкости и т.п. Установлен нелинейный характер взаимодействия турбулентности пограничного слоя и внешнего потока, исследованы особенности изменения характеристик турбулентности во внешнем над-слое, показаны принципиальные различия внутренних частотных характеристик псевдоламинарного и псевдотурбулентного погра -ничных слоев.

На основе модифицированных моделей турбулентности _пэнер-гия-масштаб" и нэнергия-диссипация" получены эмпирические зависимости, описывающие влияние характеристик турбулентности внешнего потока на интенсификацию теплообмена и трения, обобщающие экспериментальные данные настоящего исследования и опубликованные в литературе.

Пятая глава содержит результаты исследования влияния турбулентности внешнего потока на теплообмен и гидродинамику

21 поперечно обтекаемого кругового цилиндра. Приведены экспериментальные данные о влиянии турбулентности потока на распределение давления по периметру цилиндра, распределение скоростей на его лобовой поверхности, микроструктуру течения вблизи кормовой части. Методами теории подобия получены эмпирические зависимости для расчета гидравлического сопротивления, локального и среднего теплообмена цилиндра, обтекаемого турбулизированным воздушным потоком.

Показано, что полученная в 3 главе эмпирическая зависимость, описывающая интенсификацию теплообмена в псевдоламинарном пограничном слое пластины, хорошо обобщает аналогичные данные для лобовой поверхности цилиндра. Получена эмпирическая зависимость координаты начала отрыва псевдоламинарного пограничного слоя от эффективной вязкости внешнего потока, определенной по рекомендациям первой главы.

В заключении просуммированы основные результаты настоящего исследования^ Показаны эффективность и надежность предложенного и разработанного в диссертации подхода к расчету теплообмена и трения в турбулизированных потоках, позволившего в частности получить единую форму обобщения экспериментальных данных о влиянии турбулентности внешнего потока на теплообмен в существенно отличающихся с гидродинамической точки зрения условиях: в ламинарном и турбулентном пограничных слоях при безградиентном обтекании пластины, а также при градиентном обтекании лобовой поверхности цилиндра и профиля турбинной лопатки; в зоне отрыва псевдоламинарного пограничного слоя на цилиндре и в некоторых других случаях.

Приведены рекомендации по использованию результатов настоящей работы в инженерных методах расчета и исследованиях про-

цессов переноса в элементах теплоэнергетического оборудования, по основным задачам дальнейших исследований теплообмена и гидродинамики тел, обтекаемых турбулизированными потоками.

В приложении I изложены основные положения разработан -ной в процессе выполнения настоящего исследования уточненной методики измерения средних и пульсационных характеристик газовых потоков термоанемометрами с нагретой нитью. При этом основное внимание уделено не освещенным (или, по нашему мнению, не -достаточно полно освещенным) в специальной литературе аспектам техники термоанемометрии. Приведены сведения по апробации этой методики в практике работ ЙТТФ АН УССР; показано, что использование разработанных рекомендаций обеспечило повышение точности измерений, улучшило их воспроизводимость.

В приложении П приведены материалы, характеризующие практическое использование результатов отдельных этапов настоящей работы в учебниках и отраслевых технических материалах, а также промышленными и исследовательскими организациями.

Похожие диссертации на Теплообмен и внутренняя структура турбулизированных потоков

Методы математического моделирования гидродинамики и теплообмена закрученных потоков в каналах с завихрителями Митрофанова Ольга Викторовна

Исследование механизмов процесса и разработка методов расчета теплообмена двухфазных потоков в каналахМинко, Мария Вячеславовна

Закономерности динамики двухфазных потоков и теплообмена при кипении хладагента R134a в микроканалахХовалыг, Долаана Маадыр-Ооловна

Экспериментальное исследование влияния поверхностных углублений на теплообмен и сопротивление в потоке сжимаемого газаТитов, Александр Андреевич

Моделирование процессов гидродинамики и теплообмена при взаимодействии двухфазных потоков с пористой средойКичатов Борис Викторович

Экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики в закрученном потоке при одностороннем нагревеЗахаров Евгений Михайлович

Исследование теплообмена при взаимодействии двухфазных тонкодисперсных потоков с высокотемпературными поверхностямиАрзамасцев Алексей Геннадиевич

Теплообмен и гидродинамика одно- и двухфазных потоков при интенсивном воздействии массовых сил в условиях одностороннего нагреваДедов, Алексей Викторович

Магнитогазодинамическое управление теплообменом на поверхности тела в сверхзвуковом потокеПопов, Павел Аркадьевич

Теплообмен при кипении в условиях вынужденного течения закрученного потока в каналах малого диаметраМалаховский Сергей Александрович