автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Исследование конвективного теплообмена в пористых структурах

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени С.0РДК0НИЩЗЕ

Можаев Алекоавдр Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ПОРШГЫХ СТРУКТУРАХ

Специальность 05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва Издательство ЫАИ

1991

Работа выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции Авиационном Институте им. С.Орджоникидзе. Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Галицейский Б.М,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Поляев В.М.; доктор технических наук, профессор Артюхин Е.А.

Ведущая организация - НИИ НПО "Луч" Московская обл., г.Подольск

Защита состоится " "_19_г. в ______ часов

на заседании специализированного совета К 053.04.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в МАИ (Москва А-80 ГСП 125871 Волоколамское шоссе д.4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Авиационного Института.

Автореферат разослан "_"_19_г.

Ученый секретарь специалиэи----------------

кандидат технических наук

Т.В.Михайлова

, . ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. ; Актуальность темы. .Недоставленная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию внутреннего теплообмена в пористых структурах, широко используемых для высокоинтенсивных теплообменных устройств и в системах эффективной тепловой зашиты. В настоящее - Ере-ля не существует достоверной модели внутреннего теплообмена для ^упорядоченных пористых структур и материалов. Не полностью вскрыт механизм пористого охлаадения, отсутствует надежная методика его расчета для всего диапазона изменения критерия Re теплоносителя.

Цель работы.

Целью данной работы является разработка полуэмпирической модели теплообмена в неупорядоченных пористых структурах, позволяы-цей оценивать интенсивность внутреннего теплообмена для любых зна-гений критерия fíe. по известным гидравлическим и структурным параметрам пористых систем.

Научная новизна.

Предложена модель внутреннего теплообмена в пористых неупоря-юченных структурах, учитывающая комплексный характер переноса :епла: теплоотдача в вязком подслое, мелкомасштабные турбулентные гульсации, макроперемешивание теплоносителя в сообщающихся порах. )пределено обшее критериальное уравнение внутреннего теплообмена i его частные виды для различных диапазонов изменения критерия /Ы. , ншочая зависимость, определяющую минимальное значение при

Ле —О . Установлены количественные связи коэффициента внутрея-юго теплообмена с основными структурными и гидравлическими пара-1етрами неупорядоченных пористых тел (пористость, флуктуация порис-■ости, проницаемость, коэффициент извилистости, удельная поверх-юсть, гидравлическое сопротивление, коэффициенты дисперсии). Поученные критериальные зависимости позволяют, в частности, опре-;елять оптимальные значения пористости для интенсификации внутрен-:его теплообмена в любой пористой структуре.

В сопряженной постановке исследовано влияние на интенсивность ¡нутреннего теплообмена вида нагрева (поверхностный, объемный) порядоченных проницаемых щелевых структур.

Степень обоснованности и достоверности.

Сиепень обоснованности в достоверности научных положений, вывс дов I рекомендаций подтверждается экспериментальными исследованиям! внутреннего теплообмена в порошковых и пенокерамических пористых материалах, проведенными по двум разным методикам для различных значений критерия Не-. нестационарный нагрев (аналиг обратной задачи, ¿£00), радиационный нагрев (расчетно-экспериментальный метод, 4 ).

Основные положения и вывода дисоертационной работы базируются также на тщательном анализе теоретических и экспериментальных опубликованных данных.

Практическая ценность работы.

На ооновании полученных в диссертации результатов разработана методика расчета внутреннего теплообмена в пористых структурах и материалах, позволяющая по известным структурным и гидравлическим характеристикам определять коэффициента внутреннего теплообмена, температурные соля и расходные характеристики теплоносителя. Разработанная модель теплообмена дает возможность проводить оптимизацию систем пористого охлаждения в широком диапазоне изменения щш-терия Ае и параметров неоднородных пористых материалов.

Результаты исследования использованы:

- в Институте порошковой металлургии ЦНИИЧМ им.И.П.Бардина при выполнении спец.работ по созданию оптимальных теплообменных пористых структур;

- в Производственном объединении "Центроэнергоцветмет" при создании сильноточных плазмотронов с пористой пенокерамической межэлектродной вставкой.

На защиту выносится:

- вывод основного критериального уравнения внутреннего теплообмена в неупорядоченных пористых структурах;

- результаты исследования, анализа и сравнения о экспериментальными данными частных видов основного 1фитериального уравнения для различных режимов внутреннего теплообмена в неупорядоченных пористых структурах;

- результаты аналитического и численного исследования внутреннего теплообмена для поверхностного и объемного нагрева щелевых

проницаемых структур;

- результаты расчета и экспериментального исследования теплообмена в пористой межэлектродной вставке плазмотрона при минимальных расходах охладителя.

Апробация рабой!.

Отдельные этапы работы и работы в пелом были доложены на НТО ПО Центроэнергоцветмет", на НТО и научных оеминарах в ЦНИИЧМ им.И.П.Бардина, на Ш Всесоюзной школе молодых ученых по атомно-водородной энергетике и технологии в металлургии (Тула, октябрь 1983г.), на X Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Каунас, сентябрь 1986г.), на Всесоюзных научно-технических совещаниях: "Применение ЭВМ в научных исследованиях и разработках" (Москва, февраль 1988г.; Днепропетровск, октябрь 1989г.), на научных семинарах в МАИ им.С.Орджоникидзе.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано II печатных работ и написано 6 научных отчетов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами-, заключения и четырех приложений. Она содержит 143 страницы машинописного текста, 44 листа иллюстраций, описок литературы из 143 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель и задачи исследования, кратко изложено содержание диссертации; сфор-лулироЕаны положения, определяющие новизну и практическую ценность голученных результатов, перечислены положения, выноояпшеся на за-питу.

В первой главе представлен обзор работ Ю.А.Буевича^ В.М.Еро-ченко, В.Н.Кршасова, А.В.Лыкова, В.А.Майорова, В.М.Поляева, 1.В.Пустогарова, В.И.Субботина, Дж.Э.Андерсона, К.Кара, Дж.Коха 1 др. по теоретическому и экспериментальному исследованию тепло->бмена в пористых системах и материалах. Анализируются современнее модели теплообмена при течении однофазного охладителя в пористых структурах: феноменологическая двухтемпературная модель тепло-)бмена; комплексная модель теплообмена и газодинамики с усреднен-

ннми параметрами; модель мелкомасштабного, однородного, турбулентного теплообмена; сопряженная задача теплообмена для упорядоченной системы круглых каналов при ламинарном течении охладителя; модель теплообмена с сингулярными нитевидными (З'-стоками) тепла. Двухтем-пературная модель является основной в феноменологической теории теплообмена в пористых телах. Поэтому в первой главе подробно анализируются экспериментальные коэффициенты переноса, используемые в двухтемпературной модели: эффективный коэффициент теплопроводности пористого материала и коэффициенты внутреннего теплообмена. Показано, что многочисленные опубликованные работы по исследованию коэффициентов теплопроводности различных пронипаемых материалов определяют величину как наиболее надежную и достоверную в

теории внутреннего пористого теплообмена. С другой стороны по разбросу опытных значений коэффициента внутреннего теплообмена о^ для различных пористых материалов можно судить о сложной физической природе этого коэффициента, очевидно имеющего статистический характер. Использование Колмогоровского масштаба скорости для мелкомасштабного, турбулентного, однородного и стабилизированного теплообмена позволяет оценить для больших Яв > /О 4 и связать величину с гидравлическим сопротивлением пористого тела. Очевидно,,полученный результат должен бить верхней асимптотикой для более общей теории. В первой главе рассматриваются также Усредненные уравнения тепло- и массообмена комплексной модели: уравнение неразрывности, уравнение количества движения, уравнения энергии и Фурье для газов и твердого каркаса, уравнения состояния газа и Сен-Зенана и т.д. Практическая ценность комплексной модели определяется превде Есего надежностью и точностью используемых в ней коэффициентов переноса. В качестве примеров использования специальных методов расчета теплообмена в проницаемых структурах рассматривается простейшая сопряженная задача е упорядоченной системе круглых каналов и модель с точечными стоками тепла. В главе приведены также немногочисленные экспериментальное данные по определению коэффициентов теплопроводности дЕи:-хушегося теплоносителя в пористых средах. При анализе решений двухтемпературной задачи определены параметры теплообмена и длина пористой пластины, при которых можно принебречь условиями на входе охладителя, т.е.опредэ-

лены условия перехода к модели бесконечной станки при фронтальной нагреве.

Основываясь на результатах проведенного анализа теоретических и экспериментальных исследований внутреннего пористого теплообмена, сформулированы задача данной работы.

Во второй главе излагается полуэмпиричеокая модель теплообмена в прристых телах, позволяющая опенивать интенсивность внутреннего теплообмена для любых значений Яе теплоносителя.

На основе закона Фурье, уравнения теплового баланса, закона Ньютона для локальной теплоотдачи в порах и закона сохранения массы движущегося теплоносителя, используя усреднение по ансамблю областей поперечного сечения пористого тела,' получено критериальное уравнение внутреннего теплообмена при стационарном течении, газа (жидкости) в неупорядоченных пористых структурах с внутренними источниками тепла:

Г_£ ,/](!)

где характерным размером С^ является флуктуационный диаметр, связанный с флуктуацией.пористости

ПП(з»]

для областей о

диаметром Л) : а _

Флуктуационный диаметр характеризует стационарные крупномасштабные неоднородности температурного и скоростного полей, О* ■ связан с коэффициентом извилистости и проницаемостью К :

За основании теоретического анализа и сравнения с экспериментальными данными выявлен комплексный механизм конвективного переноса гепла в неупорядоченных пористых структурах: теплоотдача в вязком зодслое, мелкомасштабные турбулентные пульсации, макроперемешива-зие теплоносителя в сообщавшихся порах. Определены преобладающие доставляющие механизма переноса тепла, соответствующие общему

критериально^ уравнению (I), в зависимости от диапазона изменения критерия Л« теплоносителя.

При О^Яв^^б температурные и скоростные поля имеют крупномасштабные флуктуации, обусловленные неоднородностью пористой струк туры. Начальная деформация температурного поля при опреде-

ляется эффективной статической поперечной теплопроводностью непод-зкжного теплоносителя в пористой структуре^¿"^/^ и характеризуется минимальным значением (/-Л)^/^ . .Для оценочных расчетов в диссертации использовались значения по фощуле Бруггемана и модифицированная зависимость Коха:

А шП* & П (Э

Увеличение интенсивности внутреннего теплообмена в этом режиме связано о манроперемепшванием теплоносителя в сообщающихся порах:

где отношение коэффициентов поперечной и продольной дисперсии определяется извилистостью, проницаемостью, флуктуагшонным диаметром:

Так как согласно теории , то для эмпирического коэффици-

ента Л справедливо . Для пенокерамичеаких материалов

различной пористости при экспериментально определено

Интенсивность теплообмена падает с увеличением проницаемости, оптимальная пориотость зависит от величины и близка к 0,6 для шаровых засыпок.

При /04Ае*5-/О наблюдаются также крупномасштабные стационарные флуктуации температурных и скоростных полей, но без влияния начальной деформации. Интенсивность теплообмена определяется степенью макроперемешивания теплоносителя:

йкспериментальное исследование теплообмена в пористых образцах из нержавеющей стали (П=0,167; 0,331; 0,345; 0,346; 0,354), проведение по методике нестационарного нагрева, подтверждает достоверность за-

1ИСИМ0СТИ (5), причем Д-0,1 при 25iRe.±200. .Из (5) следует, но коэффициент внутреннего теплообмена dy не зависит от опре-;еляшего размера. Поэтому для характеристики теплообмена определи безразмерный параметр Для которого справедливо ¡имметричное по пористости критериальное уравнение данного режима яутреннего теплообмена:

[з (6) следует, что интенсивность теплообмена увеличивается при меныпении проницаемости структуры и для постоянного значения fhK [аксимум достигается при оптимальной пористости 0,5.

При >5'/О ike интенсивность внутреннего теплообмена

щределяется совместным действием макроперемешивания и мелкомасш-■абных турбулентных пульсаций. В этом случае используется общее ¡ритериальное уравнение теплообмена (I), в котором мелкомасштабные урбулентше пульсации (с учетом термического сопротивления вязко-■о подслоя) характеризуются величиной:

Ч 4 (ft

[нтенсивность теплообмена растет с увеличением удельной поверхности ¿у и гидравлического сопротивления ^ .

Для Яе » /О3 внутренний теплообмен определяется только мелкомасштабными турбулентными пульсациями - устанавливается режим »днородной турбулентности. Крупномасштабные флуктуации полей исчез-ш под влиянием интенсивного макроперемешивания и турбулизации. Ветчина civ определяется зависимостью:

=« /■& ff*'s£e; (8)

фичем гидравлическое сопротивление при таких значениях /2е полносвыо щределяется своим инерционным коэффициентом.

Рис.1-3 иллюстрируют основные результаты полуэмпирической моде-ш внутреннего теплообмена. На рис.1 сравниваются результаты расчета ю уравнению (I) с экспериментальными данными по теплообмену в шаро-зых засыпках, волокнистых и сетчатых пористых структурах (заштрихо-5анная область). При расчетах принято, что ,

'огда " и критерий локального теплообмена

в соответствии с (7) имеет еид:

^ + Re + 4S £е3 )

Кроме того, использовано: ^ =1,-2*/®* ». На рис.2 представлены данные эксперимента и результаты раочета по критериальной зависимое-, ти (5) при определяющий размер - средний диаметр пор с/я ,

. На рис.3 показаны результаты расчета по формуле (6) и экспериментальные данные для тех же образцов.

Сравнение теоретических: результатов с экспериментальными данными подтверждает достоверность разработанной модели внутреннего теплообмена .

В третьей главе приведены результаты аналитического и численного исследования влияния на интенсивность внутреннего теплообмена вида нагрева (поверхностный, объемный) проницаемых структур. Эта задача приобретает особое значение при распространении теоретических зависимостей второй главы на случай любого вида нагрева пористого тела. Задача решалась в сопряженной постановке для упорядоченных щелевых структур. Причем на геометрические размеры структуры, режимы течения охладителя и на отношение теплопроеодностей твердой фазы и жидкости дополнительно накладывалось условие, при котором можно пренебречь термическим сопротивлением охладителя по сравнению с термическим сопротивлением твердого каркаса:

^«АЛ-Ль,—т

На рис.4 представлены результаты аналитического и численного расчета коэффициентов внутреннего теплообмена для обоих еидов нагрева. На нагреваемой поверхности при фронтальном действии теплового потока интенсивность внутреннего теплообмена на 16% больше, чем при нагреве внутренними источниками тепла, а со стороны входа охладителя интенсивность теплообмена меньше и отличается заметнее - на 28$ для кольцевых структур. Но средние по толщине проницаемой структуры коэффициенты внутреннего теплообмена близки, что позволяет сделать вывод о возможности использования критериальных зависимостей полуэмпирической модели (глава 2) на случай фронтального нагрева пористого материала

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования теплообмена в пористой межэлектродной Еставке плазмотрона при критических расходах охладителя (воздух, ). Использовались вставки из пенокордиерита с пятью значениями порис-

тости П*0,6 + 0,15 . Стойкость пористых МЭВ определялась по визуальной фиксации' начала процесса эрозии внутренней поверхности. Зная температуру начала размягчения материала Тмр и зависимость теплового потока от тока дуги 0. (X) определялись экспериментальные законы теплообмена по формулам:

и - , 0 ■ ст ~ . Л „ _ (Ю)

ом-/) '—а(1) ''

где _ коэффициент эффективной теплопроводности вставки, ¿^ -

температура газа в ресивере. При сравнении экспериментальных критериальных зависимостей (10) с формулой (4), определяющей внутренний теплообмен для малых Яс согласно полуэмпирической модели, получено

/?:0,С& для всех образцов с погрешностью менее 10$. Поэтому интенсивность внутреннего теплообмена в пористых МЭВ из пенокордиерита определяется зависимостью:

= 4т(<-п)П%Цл[п(/-Л)]я>к. (п)

На рис.5 представлены результаты расчета по формуле (II) и экспериментальные данные. Полученная зависимость, подтверждающая достоверность модели теплообмена, использовалась при разработке и проектировании сильноточных плазмотронов с пористой пенокерамической межэлектродной вставкой.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработана полуэмпирическая модель внутреннего теплообмена

в неупорядоченных пористых структурах, учитывающая составной, взаимосвязанный характер переноса тепла: теплоотдача в вязком подслое, мелкомасштабные турбулентные пульсации, макроперемешивание теплоносителя в сообщающихся порах. Получено критериальйое уравнение для внутреннего теплообмена, определяющее-интенсивность его в широком интервале изменения критерия ^е теплоносителя.

2. Вскрыт комплексный механизм переноса тепла в неупорядоченных пористых средах и определено различное влияние его составляющих на среднюю интенсивность внутреннего теплообмена для четырех диапазонов изменения критерия .'

3. Для каждого выделенного диапазона предложены критериальные зависимости, связывающие интенсивность теплообмена с основными параметрами пористой структуры: проницаемостью, пористостью, флуктуацией пористости, коэффициентом извилистости, удельной поверхностью, гидравлическим сопротивлением, коэффициентами дисперсии. Полученные функпио-

нальные связи позволяют, в частности, определять оптимальные значения пористости для интенсификации внутреннего теплообмена в любой пористой структуре.

4. Э сопряженной постановке исследовано влияние вида нагрева (поверхностный, объемный) на величину коэффициента внутреннего теплообмена в упорядоченных щелевых структурах. Определено, что при фронтальном нагреве по сравнению с нагревом внутренними источниками тепла интенсивность локального теплообмена отличается не более чем на 28$.

5. Приведены экспериментальные критериальные зависимости теплообмена в пористых пенокерамических межэлектродных вставках плазмотрона при минимальных критических расходах охладителя. Экспериментальные данные удовлетворительно (с погрешностью <5 < /0% ) согласуются с результатами расчета по разработанной модели теплообмена

в неупорядоченных пористых структурах.

6. Результаты диссертации использовались при создании оптимальных теплообменных порошковых материалов и при проектировании сильноточных плазмотронов с пористой пенокерамической межэлектродной вставкой.

Ж

Рио.1. Сравнение экспериментальных значений /»ь/^ для шаровых засыпок, сетчатых и волокнистых пористых структур с результатами расчета. 1 ~ 5 2 ~ П=0'3; 3 ~ П=0,1;

Д.1 • ,Д?,2 ;

Х-IV - режимы внутреннего теплообмена.

Рис. 2. Интенсивность внутреннего теплообмена в пористых образцах из нержавеющей стали.

I - ЕМ),167, с/„ =58,15мкы; 2 - П=0,331, с/п =71,26мкм; 3 - 11=0,345, £7„ =315,00мкм; 4 - П=0,34б, с/„ =67,80мкм; 5 - №0,354, =45,26икм; -формула (5).

Рис.3. Зависимость я

от хРитеРия ^К ЛМ

пористых материалов. - формула (6).

Рис.4. Зависимость внутреннего теплообмена от вида нагрева и типа щелевых структур.

-фронтальный нагрев,

-- _ нагрев внутренними источниками

тепла; I - плоская щелевая структура, 2 - кольцевая щелевая структура.

Рис.5. Критериальные зависимости теплообмена в пористой МЭВ плазмотрона.

I - П = 0,85; 2 - П = 0,80; 3 - П = 0,77; 4 - П = 0,70; 5 - П = 0,60; - теоретическая зависимость (II).

Основные результаты диссертации изложены в следующих опубликованных и депонированных работах:

1. Куков М.Й., Даццарон Г.-Н.Б., Ыожаев А.П., Стенин В.В. Асимптотическое решение задачи пористого охлаждения межэлектродной вставки плазмотрона. -Изв.СО АН СССР, 1983, № 3.

Сер.тех. наук, вып.I, с.61-65.

2. Можаев А.П., Стенин В.В. К вопросу о температурных полях в условиях интенсивного пористого охлаждения. Там же,с.66-68.

3. Ыожаев А.П., Стенин В.В., Кабанов А.И. Исследование эрозии пористой межэлектродной вставки плазмотрона на начальном участке. Деп. редакцией ТВГ в ВИНИТИ 04.07.1984г.,» 4704-84,9с.

4. Макаров B.C., Ыожаев А.П. Расчет пористого охлаждения межэлектродной вставки плазмотрона. -В кн.: Плазменные и лучевые установки. Межвузов.сб.тр. №31. Ы. : МЭИ, 1984, с.68-75.

5. Можаев А.П., Процук A.B. Экспериментальное моделирование процессов теплообмена в пористых межэлектродных вставках плазмотрона. -В кн.: Материалы конф. молодых специалистов

ПО "Центроэнергоцветмет". M.: 1985, с.48-51.

6. Ыожаев А.П., Стенин В.В. Исследование теплообмена в пористой межэлектродной вставке плазмотрона. В кн.: Тезисы докл. X Всес.конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. 4.2. Каунас, 1986, с.7-8.

7. Можаев А.П. Исследование теплообмена в пористых материалах на основе теории сингулярного течения охладителя.

-M., 1987.-37с. 26.01.87, » 3768-чм87.Деп. в Черлетинформации.

8. Ыожаев А.П. Моделирование теплообмена в проницаемых пористых материалах для АСУ ТП порошковой металлургии. -Научно-тех. инф.сб. Цветная металлургия, 1988, № 2, с.47-51.

9. Воронин D.B., Можаев А.П., Галушкин A.B., Борисов О.В. Разработка АСНИ теплофизических и газодинамических процессов в проницаемых металлах. В кн.: Применение ЭВМ в научн.иссл. и разработках. Тез.докл.Всес.науч.тех. совещания.-М.:1988, с.49.

10. Можаев А.П., Воронин Ю.В. Моделирование теплообмена в порошковых проницаемых металлах. Там же, с.90.

11. Можаев А.П., Крастынь C.B. Программный комплекс "Транспирационное охлаждение". Тез.докл. Второго Всесоюзн. совещания. -Днепропетровск: 1989, с.94.