Содержание к диссертации
Введение
1. Градиентные датчики теплового потока 18
1.1. Измерение теплового потока 18
1.2. Датчики типа вспомогательной стенки 21
1.3. ГДТП на основе висмута 35
1.4. Преобразование сигнала ГДТП 40
1.5. Современные ДТП 43
1.6. Основные результаты главы 1 48
2. Динамические характеристики ГДТП 49
2.1. Нестационарная теплометрия 49
2.2. Экспериментальное исследование динамики ГДТП 53
2.3. Тепловая модель ГДТП 60
2.4. ДТП различных типов в нестационарной теплометрии 69
2.5. Основные результаты главы 2 72
3. Градиентная теплометрия в фундаментальных исследованиях теплообмена 73
3.1. Теплообмен при поперечном обтекании цилиндра 73
3.2. Теплообмен на плоских поверхностях с турбулизаторами 93
3.3. Свободно-конвективный теплообмен на вертикальной пластине 110
3.4. Теплообмен в ударной трубе 119
3.5. Основные результаты главы 3 134
4. Прикладные разработки с использованием градиентных датчиков теплового потока 136
4.1. Чувствительный элемент для систем контроля облучения 136
4.2. Опыт применения ГДТП для теплометрии на рабочей поверхности крышки цилиндра ДВС 148
4.3. Теплообмен в вертикальных трубах хранилища делящихся материалов... 155
4.4. Основные результаты главы 4 164
5. ГДТП в измерении температуры, расхода, касательных напряжений трения, теплофизических характеристик и параметров электрических цепей 166
5.1. Градиентная термометрия 166
5.2. Корреляционная расходометрия и индикация движения жидкости 170
5.3. ГДТП в измерении касательных напряжений трения 177
5.4. Измерение теплофизических характеристик материалов и степени черноты поверхностей 199
5.5. Измерение параметров электрических цепей 207
5.6. Основные результаты главы 5 216
Заключение 218
Список использованной литературы 221
- Датчики типа вспомогательной стенки
- ДТП различных типов в нестационарной теплометрии
- Свободно-конвективный теплообмен на вертикальной пластине
- Опыт применения ГДТП для теплометрии на рабочей поверхности крышки цилиндра ДВС
Введение к работе
Современный натурный эксперимент составляет, наряду с экспериментом численным, основу всех теплотехнических исследований и широко используется в промышленности и иных областях человеческой деятельности. Развитие теории, методологии и техники натурного теплотехнического эксперимента связано, в первую очередь, с тем, что цифровая технология обработки сигнала стала на рубеже веков основной и почти вытеснила технологию аналоговую. При этом визуализацию, архивирование, учет индивидуальных градуировок, математическую обработку результатов обеспечивает именно преобразовательная техника, а датчики измеряемых величин остались в основном прежними.
Разрыв в техническом уровне между датчиками и преобразующим их
<Щ<. сигналы цифровым трактом постоянно возрастает. В то же время ясно, что на
пути развития цифровых технологий остаются следующие препятствия:
Многие параметры (коэффициент теплоотдачи, скорость движения среды, плотность теплового потока и т.д.) получают преимущественно расчетным путем, причем точность расчета не всегда удовлетворительна.
Крайне редко один датчик позволяет измерить несколько величин (скорость, температуру, тепловой поток и т. д.).
Число каналов связи ограничено (особенно на транспорте, в космической технике, в энергетике), поэтому важно передавать по каждому из них максимум информации.
Термин «теплотехнические измерения» чаще всего объединяет
измерения температуры, скорости потока, расхода рабочего тела, перепада
давлений и других величин, имеющих отношение к теплообмену. Тепловой
поток - средний или местный - измеряют в десятки и сотни раз реже, чем
^ температуру. Это, в первую очередь, связано с отсутствием или редкостью
надежных, дешевых, а потому распространенных и привлекательных для экспериментатора датчиков теплового потока.
Конечно, применение любых датчиков не меняет фундаментальных физических законов, проявляющих себя повсеместно и независимо от возможности аппаратуры. Однако «новая» измеряемая величина не только даёт новую информацию, но и формирует новый взгляд на природу явления, а нередко и на его количественные параметры.
Предметом наших исследований стали датчики теплового потока, впервые предложенные и сконструированные для демонстрационных физических экспериментов Н.П. Дивиным [27]. Помимо задач теплометрии, эти датчики (названные градиентными [71, 73, 97]) удалось применить для определения температуры, расхода жидкости, касательных напряжений трения, теплофизических характеристик материалов, степени черноты поверхностей, параметров электрических цепей.
Поскольку градиентные датчики теплового потока (ГДТП) существенно превосходят по быстродействию все известные аналоги, они являются удобным, а иногда единственным инструментом как в нестационарной теплометрии, так и при определении других существенно нестационарных параметров,
Цель и задачи работы. Предлагается сделать ГДТП и датчики на его основе многофункциональными измерительными преобразователями для широкого круга теплотехнических и теплофизических экспериментов. Основными задачами при этом являются:
Анализ возможностей ГДТП в сравнении с лучшими современными аналогами.
Исследование динамических характеристик ГДТП.
Тестирование ГДТП в рамках классических задач теплообмена и определение с их помощью частотных характеристик тепловых процессов.
Использование ГДТП для создания полезных моделей и приборов, а также в рамках крупномасштабных экспериментов.
5. Построение расчетных схем, создание макетов и действующих образцов аппаратуры для использования ГДТП в нетрадиционном качестве — для измерения температуры, расхода жидкости, касательных напряжений трения и т.п.
Предметом исследования являются ГДТП, выполненные на основе монокристаллического анизотропного висмута чистоты 0,9999, а также датчики, измерительные зонды и другая аппаратура, в которых ГДТП являются неотъемлемой частью. Кроме того, предметом исследования являются физические процессы, параметры которых определены (в ряде случаев впервые) с помощью ГДТП и устройств на их основе.
Методы исследования включают натурный теплотехнический и теплофизический эксперимент с использованием ГДТП, аналитические расчеты и численное моделирование тепловых процессов. В работе использованы современные цифровые технологии обработки сигналов ГДТП, а также некоторые вспомогательные приемы из смежных областей (метрологии, теории электрических измерений и т.д.).
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые комплексно исследованы динамические характеристики ГДТП и впервые экспериментально зарегистрированы пульсационные характеристики теплового потока при вынужденном конвективном теплообмене вблизи изотермической поверхности, а также на вертикальной пластине с электрообогревом; определены плотности теплового потока в ударных трубах, на огневых поверхностях камеры сгорания дизельных двигателей и др. Предложены новые пути использования ГДТП для определения температуры, расхода, касательных напряжений трения, теплофизических и радиационных характеристик, а также параметров электрических цепей.
Практическая ценность работы определяется как тем, что ГДТП позволяют существенно расширить возможности нестационарной теплометрии, так и тем, что использование ГДТП и аппаратуры на их основе открывает путь к комплексному и «экономному» (по числу каналов связи)
теплофизическому, теплотехническому и иному эксперименту. Представляют самостоятельную ценность конструкции датчиков и приборов, созданных при выполнении работы и апробированных в условиях натурного эксперимента.
На защиту выносятся:
Результаты исследования динамических характеристик ГДТП: независимость постоянной времени от толщины датчика, впервые определены значения постоянной времени ГДТП, модели тепловых процессов в ГДТП при нестационарных тепловых воздействиях.
Данные о средних и местных коэффициентах теплоотдачи и плотностях теплового потока при теплообмене на поверхности поперечно обтекаемого цилиндра (гладкой и с турбулизаторами), облуненных поверхностях, траншеях, кавернах, протяженных вертикальных пластинах, поверхностях, подвергающихся радиационному нагреву, поверхностях камер сгорания дизельного двигателя и ударных труб, а также установленные в ходе этих исследований качественные показатели (интенсификация теплообмена, наличие застойных зон, характер пульсаций теплового потока и т.п.).
Конструкция, физические модели, методы градуировки и результаты испытаний устройств на основе ГДТП: чувствительного элемента для регистрации теплового излучения, схем измерения температуры без внешнего источника электрического тока, устройства для измерения касательных напряжений трения, корреляционного расходомера и индикатора движения жидкости.
Расчетные схемы и оценки возможностей применения ГДТП для определения теплофизических характеристик материалов, степени черноты поверхностей, а также параметров электрических цепей.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, пяти глав, заключения и списка использованной литературы.
Датчики типа вспомогательной стенки
В равновесной термодинамике рассматривают теплоту Qx. Поскольку время т в термодинамических уравнениях не фигурирует, то и величина Q интереса не представляет (кроме простейшего случая, когда —= - = = -; dx і именно в таком приближении рассчитывают процессы в большинстве тепловых двигателей и холодильных машин). В теории теплообмена введено понятие о поле температуры где х, у, z — пространственные координаты. Известно, что связи между Т и Q достаточно сложны и не всегда однозначны. Величина Q, как и Т, меняется в пространстве и во времени, поэтому можно говорить о «поле теплового потока» Измерение теплового потока Q и его плотности q = —— (здесь dF — элемент поверхности, в пределах которого определено приращение dQ) дает качественно новую информацию о процессе теплообмена: температура — скаляр, тепловой поток - вектор; кроме модуля (числа), он характеризуется еще и направлением. Если в электрическом щите расположены токоведущие шины, то их температуру несложно измерить, например, термопарой. Представим, что температура шины превышает допустимую. В чем причина? Шина перегревается за счет джоуль-ленцева теплового потока или на нее действуют нагретые окружающие элементы - радиаторы, трансформаторы, реостаты и т.д.? Термометрия ответа не дает, а вот датчик теплового потока (ДТП), наклеенный на шину, укажет, куда направлен вектор q — изнутри наружу, либо наоборот. Более того, если «обстановку» вокруг шины охладить (например, усилив вентиляцию), то сигнал ДТП может изменить знак. Термопара же зафиксирует снижение температуры - и не более.
Проблемы энергосбережения, борьба с тепловым загрязнением окружающей среды, создание систем микроклимата - во всех этих и многих других областях количество теплоты Qx определяется интегралом
Значит, есть потребность в измерении текущих значений Q{x) и последующем интегрировании по времени т. Однако на практике чаще поступают по-иному: экспериментально (и дискретно, поскольку возможности экспериментаторов ограничены) определяют поле температуры по формуле (1.2), затем рассчитывают функцию (1.3), и только потом берут интеграл (1.4). Именно по температуре на теплообменной поверхности судят о тепловых потерях, например, с помощью систем тепловидения, красок-термоиндикаторов и т.п. Не удивительно, что эти передовые и широко рекламируемые технологии дают лишь качественные результаты; в частности, «оцифровка» цветных термограмм остается весьма спорной.
Наконец, значения Q(x) позволяют более качественно управлять тепловыми процессами: повсеместно используемые в качестве датчиков термометры лишь фиксируют результат воздействия, но не позволяют управляющему устройству или человеку (при ручном управлении) «предвидеть», что произойдет с системой в дальнейшем. Остановимся на этом подробнее. Главный недостаток систем управления с обратной связью состоит в том, что возмущение начинает влиять на объект прежде, чем исполнительный орган сможет его скорректировать. Время задержки № пытаются уменьшить, но расплатой за быстродействие является снижение или даже потеря устойчивости регулирования. В последнее время возникла идея управления с опережающей коррекцией (Feed Forward Control) - например, по изменению температуры среды [151]. Если, скажем, на улице похолодало, то следует увеличить мощность подогрева в помещении заранее, по показаниям наружного термометра, а не тогда, когда понизится температура в самом помещении. Другими словами, корректирующее воздействие опережает возмущение, не дает ему повлиять на регулируемый параметр. Согласно закону теплопроводности Фурье, в элементе (слое) объемом V с удельной массовой теплоемкостью с, плотностью р и теплопроводностью X плотность теплового потока (здесь п — направление нормали к изотерме, совпадающее с направлением вектора q). Можно показать, что при управлении тепловыми процессами правильнее ориентироваться на величину q, а не Т, однако датчики температуры используют повсеместно, а датчики теплового потока (ДТП) — весьма редко. В системах с опережающей коррекцией ДТП вполне конкурентоспособны, а в ряде случаев обладают существенными преимуществами перед датчиками температуры. Вспомним в этой связи о некорректности обратных задач теплопроводности: если по заданному на границе тела тепловому потоку (задача Неймана) можно рассчитать поле температуры, то по известному полю температуры крайне трудно или невозможно реконструировать тепловой поток на границе. 1.2. Датчики типа вспомогательной стенки Измерение теплового потока (по терминологии О.А. Геращенко [21] — «теплометрия») объединяет весьма широкий спектр методов, включающий калориметрию [19,82], измерение джоуль-ленцевых эффектов [67], тепловыделений от внутренних тепловых источников [7, 119] и др. Для большей определенности сузим обсуждаемую тему: 1. Поведем речь об измерении местной плотности теплового потока. 2. Предположим, что в зоне измерений расположено постороннее тело — ДТП. Такие допущения справедливы для ДТП типа вспомогательной стенки (рис. 1.1). Это - элемент пластины, цилиндрической, сферической или иной оболочки, расположенной меньшим размером нормально к изотермическим поверхностям - либо на поверхности тела (А), либо внутри него (В); в обоих случаях плотности теплового потока qA и qB считают постоянными в пределах площадей датчиков FA и FB:
ДТП различных типов в нестационарной теплометрии
Поскольку для каждого АТЭ значения 8ц, зз А,ц, А,зз, G постоянны и заданы, значение So зависит от линейного размера Ъ и угла 6.
Забегая вперед, отметим, что оба эти параметра весьма важны для изготовления ГДТП. Из формулы (1.14) следует, что ширину АТЭ Ь необходимо минимизировать до технологически возможных пределов. Для оценки оптимального значения 0 исследуем функцию (1.14) на экстремум; из условия — = 0 следует, что оптимальное значение угла 6 Число природных материалов, пригодных для создания ГДТП, крайне невелико. Отметим, в частности, приемник излучения, который разработал в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН СВ. Ордин [83,84]. Приемник содержит чувствительный элемент на основе монокристаллического высшего силицида марганца (MnSii)7). Чувствительный элемент выполнен в виде пластины, ориентированной под углом G = 45 к кристаллографической оси С\. Автор разработки утверждает, что постоянная времени АТЭ имеет порядок 10"n...10"13c.
В приемнике излучения [5, 87] применение АТЭ из сурьмянистого кадмия (CdSb) эквивалентно действию батареи" из нескольких сотен медь-константановых термопар. Приемная площадка (14x14 мм) изготовлена из медной фольги толщиной 0,02 мм и покрыта камфарной чернью. В каждом приемном элементе содержится по три АТЭ длиной 14 мм, шириной 1,2 мм и толщиной 0,3 мм. Электрическое сопротивление приемника составляет 2...3 кОм, чувствительность - 0,15 В/Вт [6, 9]. Оба ДТП реализованы лишь в лабораторных условиях и широкого применения не получили. При достаточной чувствительности и весьма высоком быстродействии они имеют два существенных недостатка: во-первых, их весьма хрупкие элементы плохо коммутируются; во-вторых, вольт-ваттная чувствительность зависит от температуры и имеет точку максимума, что делает результат измерения вблизи этой точки неоднозначным. В работах [21,40] показана принципиальная возможность создания малоинерционного ДТП из искусственных анизотропных термоэлектрических материалов. Предсказано, в частности, что можно iw) снизить инерционность такого датчика (путем уменьшения его толщины) без потери вольт-ваттной чувствительности [5,21,40] (на самом деле вопрос сложнее, чем казалось авторам упомянутых работ; подробнее он обсуждается в главе 2). Использовать косослойный ДТП из искусственного композита впервые предложил в 1947 г. Л. Гайлинг. В его работе [141] отмечалось, что протекание теплового потока в системе чередующихся слоев двух материалов с различными коэффициентами термо-э.д.с, тепло- и электропроводностью, расположенных под углом к вектору «внешнего» теплового потока, вызывает нормальную к этому вектору термо-э.д.с. (рис. 1.8). К сожалению, о практическом применении таких ДТП нам ничего не известно. В последнее время идея ДТП поперечного типа из композита вновь (едва ли не впервые после работ Л. Гайлинга) привлекла внимание , исследователей [91]. Фирма FORTECH HTS GmbH рекламирует свой датчик ALTP (Atomic Layer Thermo Pile = атомарная термоэлектрическая батарея) [149], действие которого основано на поперечном эффекте Зеебека (рис. 1.9). Что соответствует частоте изменения теплового потока 300 кГц. Датчики ALTP предлагается использовать при исследовании сверхзвуковых течений. На рисунке видно, что такой датчик - целая конструкция, притом немалой, по меркам экспериментатора, толщины: его применение вне упомянутой области исследования будет непростым. В главах 2-5 описаны результаты, которые получены с применением ГДТП на основе монокристаллического висмута. Рассмотрим конструкцию и характеристики этих датчиков более подробно. 1.3. ГДТП на основе висмута Висмут относится к веществам с ярко выраженной анизотропией физических свойств. Его монокристаллы обладают анизотропией теплопроводности и коэффициентов дифференциальной термо-э.д.с. ГДТП, применяемые в настоящей работе, впервые созданы Н.П. Дивиным [27]. В их конструкции использованы анизотропные монокристаллы висмута чистоты 99,99%. Реально существующие ГДТП из висмута имеют вольт-ваттную чувствительность 50=5...65 мВ/Вт, постоянную времени ттіПи10"9...10"8 с; диапазон их рабочих температур - от 20 до 544 К (верхний предел определяется точкой плавления висмута). На рис. 1.10 изображен батарейный ГДТП, включающий АТЭ 1 из висмута. «Зеркальное» чередование тригональных плоскостей в двух соседних АТЭ обеспечивает суммирование термо-э.д.с, возникающих в них под воздействием теплового потока. Батарею обычно монтируют на подложке 2 из слюды. Друг от друга АТЭ изолированы тонкими (5 мкм) прокладками, например, из лавсана 5 и удерживаются на подложке 2 клеем (БФ-2 или аналогичным по вязкости). Спаи из чистого висмута 3 соединяют термоэлементы в последовательный контур. Крайние термоэлементы снабжены токовыводами 4.
Свободно-конвективный теплообмен на вертикальной пластине
Насколько нам известно, до середины 90-х гг. ГДТП в теплотехническом эксперименте сколько-нибудь широко не использовались.
С учетом долговременной стабильности абсолютной градуировки (по данным [98] — свыше 30 лет) и установленного в главе 2 уровня постоянной времени этих датчиков мы решили, что в первую очередь необходимо тестировать ГДТП на классических задачах теплообмена и убедиться, что результаты измерений не приносят неожиданностей. При этом быстродействие ГДТП позволяет получить дополнительную информацию о пульсациях теплового потока на поверхности; смысл и полезность таких результатов также нуждается в обсуждении.
Кроме того, использование ГДТП в теплометрии процессов конвективного теплообмена позволило получить некоторые существенно новые результаты, речь о которых пойдет в соответствующих разделах.
В литературе эта задача рассмотрена достаточно подробно [2,30,33,81,120,121,128,129,133,159]: в широком диапазоне чисел Рейнольдса определены местный и средний по периметру цилиндра коэффициенты теплоотдачи; изучено влияние на теплообмен природы жидкости, степени турбулентности потока, шероховатости на поверхности цилиндра и др. Теплоотдача исследована как при постоянном тепловом потоке на стенке, так и при постоянной температуре стенки. Однако большинство экспериментов проведено именно при постоянном тепловом [ потоке [33 и др.], когда для определения среднего коэффициента теплоотдачи использовались электрические калориметры, а температуры на стенке и в потоке определялись с помощью термопар и термометров сопротивления. Для определения местных коэффициентов теплоотдачи широко применялся электрометрический метод [154]: каждый из специальных датчиков теплового потока представлял собой электронагревательный прибор; ток проходил либо непосредственно через опытный участок трубы, либо через электрический нагреватель, вмонтированный в такой участок. В работе [153] местные коэффициенты теплоотдачи определены с помощью датчика теплового потока в виде кварцевой пластины с тонкопленочным платиновым термометром сопротивления, который был включен в электрическую схему термоанемометра для измерения пульсаций теплового потока. Измерения проводили как при постоянном (в среднем) тепловом потоке на стенке цилиндра, так и при постоянной температуре стенки. Использование численного моделирования, в особенности с помощью ( метода моделирования отсоединенных вихрей [108, 165], позволило получить полезные результаты в исследовании отрывных течений. Эти (и многие другие) исследования оказались весьма трудоемкими; одним из преимуществ ГДТП является то, что они позволяют сразу определить местное (в пределах площади датчика) значение коэффициента теплоотдачи ГДТП можно считать «нуссельтомером»: при правильной градуировке «шкалы прибора» он определяет именно величину Nu = const Ех. yh Первый этап наших экспериментов по исследованию конвективного теплообмена при поперечном обтекании изотермического цилиндра [75] проходил в лаборатории кафедры «Гидроаэродинамика» СПбГПУ. Замкнутая аэродинамическая труба с открытой рабочей частью обеспечивала в струе между круглым соплом диаметром 500 мм и диффузором низкий уровень турбулентности (Ти 0,77%). Скорость воздуха в рабочей части трубы определялась с помощью трубки Прандтля и микроманометра; в наших опытах средняя скорость потока достигала 25 м/с. В рабочей части аэродинамической трубы мы устанавливали круглые гладкостенные цилиндры 2 (рис. 3.1, а, б) диаметром 25, 66 и 166 мм, длиной 500 мм, с толщиной стенки из стали, равной 0,1 мм. (Столь малая толщина, как показали опыты, практически не снижала жесткости цилиндра при обдуве). В цилиндр 2 по трубе 4 подавался сухой насыщенный пар из парогенератора; давление пара контролировалось манометром 6. По трубке 5 конденсат сливался в конденсатосборник; поверхность теплообмена имела при этом температуру, близкую к температуре насыщения пара. Цилиндры 2 монтировались на специальном поворотном столе 3 со шкалой, цена деления которой составляла 1. Во время опыта цилиндр с ГДТП поворачивался вокруг оси на требуемый угол ср, при этом за начало отсчета принималась лобовая точка (ф = 0). ГДТП размерами 4x7x0,2 мм; 5x5x0,2 мм и 15x2x0,2 мм устанавливались заподлицо с поверхностью цилиндров; вольт-ваттная чувствительность датчиков находилась в пределах 9,8...20,0 мВ/Вт. Азимутальный угол, который перекрывали ГДТП, составлял для цилиндров диаметром25 мм- 18,5; 66 мм-3,5...7; 166 мм-2,8.
В отдельной серии опытов были, кроме того, записаны пульсации статического давления на стенке цилиндра. Для этого на одной образующей с ГДТП мы установили приемник статического давления, соединенный с электрическим датчиком давления мембранного типа с частотным пределом около 30 Гц. Типичные синхронные кривые давления и плотности теплового потока, записанные на светолучевом осциллографе Н-145, представлены на рис. 3.2. Ход кривых соответствует традиционным представлениям об аналогии Рейнольдса.
Опыт применения ГДТП для теплометрии на рабочей поверхности крышки цилиндра ДВС
В прикладном смысле интересно, что оптимизация теплообмена по углу \/ занимает в реальных условиях опыта менее часа; если заранее расположить ГДТП по окружности цилиндра с шагом 10... 15, трудоемкость снизится дополнительно. Вне сомнений, численный эксперимент сделает подобную оптимизацию более долгой и дорогостоящей.
Мы предполагаем продолжить опыты, располагая дополнительные турбулизаторы на других углах \j/; если в условиях реального теплообмена можно пренебречь загрязнением поверхностей, такие меры окажутся практически значимыми.
Для интенсификации теплообмена на плоских поверхностях используют самые разные турбулизаторы: лунки (сферические и вытянутые), каверны различного сечения и т.д. [28]. В ряде случаев повышение местных коэффициентов теплоотдачи сопровождается снижением гидродинамического сопротивления. Поиск оптимального соотношения 1 размеров самих турбулизаторов и расстояния между ними, наилучшей схемы взаимного расположения турбулизаторов на гладкой поверхности и т.д. представляет многопараметрическую задачу; она удовлетворительно решена лишь для некоторых частных случаев [3, 10, 22, 39, 41, 47]. Данные об эффективности турбулизаторов нередко противоречивы [49, 116, 156]. Численное моделирование и натурный эксперимент позволяют определить местные и средние коэффициенты теплоотдачи, распределение скоростей, температур и давлений, как на поверхности турбулизаторов, так и на гладкой поверхности между ними [41]. Традиционно, большинство экспериментов проводят в условиях нагрева поверхности теплообмена электрическим током. Это, как было показано в главе 1, во многом связано с отсутствием или недостаточным совершенством ДТП. В то же время известно, что на практике в окрестностях любого местного турбулизатора температура поверхности изменяется весьма мало, поэтому гораздо полезнее поддерживать в опытах именно постоянную температуру, а измерять местную плотность теплового потока. Этим путем идут, определяя интегральные характеристики поверхностей с турбулизаторами [115, 116] - по причине, упомянутой выше. Применение ГДТП позволяет решать задачу более полно, определив местные коэффициенты теплоотдачи в ходе натурного эксперимента: техника измерений и обработки сигналов ничем не отличается от описанной в разделе 3.1. В современном численном эксперименте моделировать условия Т = const ничуть не сложнее, чем q = const, поэтому верификация расчетных схем не вызывает трудностей. Скорее, ее затрудняет скудность экспериментальных данных по теплометрии. В рамках нашей работы мы исследовали теплообмен на поверхности сферической и вытянутой лунок, поперечной цилиндрической траншеи — каверны и траншеи - каверны трапециевидного сечения в условиях, когда на поверхностях теплообмена поддерживалась постоянная (и отличная от температуры торможения омывающего потока) температура. Внешний вид плоских панелей с турбулизаторами перечисленных форм представлен на рис. 3.13; характерные размеры турбулизаторов — на рис. 3.14. Расположение ГДТП для каждого вида поверхности было, разумеется, иным. В наших экспериментах [102, 156] полученные результаты сопоставлялись с данными численного моделирования1 и экспериментов2. В ходе опытов ГДТП устанавливались на различных зонах турбулизаторов, а также на гладкой поверхности пластины: перед турбулизатором (для сопоставления) и позади него (для того, чтобы оценить влияние турбулизатора на «шлейфовое» изменение коэффициента теплоотдачи). Как и в опытах на цилиндре, температура на поверхностях теплообмена поддерживалась постоянной за счет обогрева панелей насыщенным паром. Коробчатые плоские панели с турбулизаторами 1 устанавливались на нижнюю стенку аэродинамической трубы 2 разомкнутого типа (рис. 3.15). Воздух прокачивался через установку с помощью вентилятора 3, подключенного к выходному патрубку аэродинамической трубы 2. На входе в аэродинамическую трубу 2 было установлено сопло 4, которое обеспечивало равномерное поле скорости во входном сечении канала. Расход воздуха через трубу регулировался заслонкой, смонтированной на выходном патрубке вентилятора 3. Скорость воздуха определялась по перепаду давлений на сопле 4 и в различных опытах составляла от 5 до 15 м/с; предварительные опыты показали, что в этих условиях степень турбулентности Ти « 1%. Толщина динамического пограничного слоя перед лункой составляла З...5мм, а теплового - 3,3...5,4 мм. Температуру торможения воздуха определяли по показаниям термометра в помещении.
