автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование переходного пограничного слоя в газодинамических каналах и на плоских пластинах

$ f

dJ

Министерство образования РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

А САДОЛЛЛХИ Г ох их Абд олл а

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ КАНАЛАХ И НА ПЛОСКИХ ПЛАСТИНАХ

Специальность 05.07.05. "Тепловые двигатели летательных аппаратов"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор A.A. Сергиенко

Москва - 1999

Оглавление

Условные основные обозначения................................................... 4

Введение................................................................................. 6

Глава 1.Обзор литературных данных по переходным режимам в пограничном слое........................................................................................ 10

1.1 .Обзор литературных данных по переходу ламинарного

пограничного слоя в турбулентный....................................... 10

1.2.Обзор литературных данных по переходу турбулентного

пограничного слоя в ламинарный.......................................... 18

1.3 .Методы расчета пограничного слоя в зоне перехода............... 20

Глава 2. Интегральные соотношения импульса и энергии в пограничном слое и определение законов трения и теплообмена для ламинарного, переходного и турбулентного пограничных слоев................................................... 26

2.1. Интегральное соотношение импульсов в пограничном слое....... 27

2.2.Интегральное соотношение энергии в пограничном слое............ 29

2.3. Законы трения и теплообмена для турбулентного и ламинарного

пограничных слоев........................................................... 31

2.3.1.Законы трения и теплообмена для турбулентного пограничного

слоя.............................................................................. 31

2.3.2.Законы трения и теплообмена для ламинарного пограничного слоя............................................................................... 33

2.4.Экспериментальные данные о переходном пограничном слое....... 34

2.5.Значение формпараметра в пограничном слое........................... 37

2.5.1. Значение формпараметра в турбулентном пограничном слое.. 40

2.5.2. Значение формпараметра в ламинарном пограничном слое.... 42 2.6.Изменение толщины потери импульса (Г*при обтекании тупого угла.. 42

2.7.Анализ процессов в переходном пограничном слое..................... 44

2.7.1. Критерии для определения начала и конца области перехода... 44

2.7.2.Математическая модель течения в области перехода ламинарного

пограничного слоя в турбулентный.................................... 47

Глава З.Расчет параметров пограничного слоя в ламинарной, переходной и турбулентной областях течения.......................................................................... 56

3.1. Алгоритм расчета пограничного слоя в круглых каналах..............................56

3.2.Общее решения уравнений соотношения энергии и импульсов для

ламинарного и турбулентного пограничного слоя........................................................................59

3.3.Описание программы расчета пограничного слоя для ЭВМ..............................62

Глава 4.Сравнение результатов расчета ламинарного, переходного и турбулентного пограничных слоев с экспериментальными данными................... 68

4.1.Сравнения результатов расчета пограничного слоя в круглых каналах

с экспериментальными данными................................................................. 68

4.2.Сравнение результатов расчета ламинарного, переходного и турбулентного пограничных слоев с экспериментальными данными полученными на гладкой пластине................................................................. 72

Выводы..................................................................................................................... 86

Список литературы................................................................................................. 88

Приложение 1............................................................................... 92

Список условных обозначении

г - степень турбулентности набегающего потока

Яе - число Рейнольдса по длине

и - скорость потока

Ь - длина

у - кинематический коэффициент вязкости

М - число маха

Т - температура

Р - давление

р - плотность

к - высота элемента шероховатости

С{ - коэффициент трения

81 - число Стантона

XV - скорость потока

8"" -толщина потери импульса

5* - толщина вытеснения

Н - формпараметр

I - расстояние вдоль контура канала и вдоль линий тока

У - расстояние по нормали от стенки и по нормали к £

Я - радиус

8 - толщина динамического пограничного слоя

I - энтальпия

- плотность теплового потока

8** - толщина потери энергии

X - коэффициент скорости

в - угол наклона стенки канала

Рг - число Прандтля

у - показатель адиабаты расширения газа

ц - коэффициент динамической вязкости

со - показатель степени в законе зависимости динамического коэффициента вязкости // от температуры.

г(м) = 1 2 - газодинамическая функция

Яа - средняя арифметическая величина шероховатости

-размер зерна эквивалентной песочной шероховатости

(1 - диаметр канала

Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении

п - показатель степени

£4 - турбулентная часть режима течения в пограничном слое

Индексы

Кр - критический ш - параметры стенки

и - параметры на внешней границе пограничного слоя о - полные параметры потока

оп - полные параметры потока на внешней границе пограничного

слоя перед каналом ое - полные параметры потока на теплоизолированной стенке Л - ламинарный пограничный слой

1—Г 1> V и

П - переходный пограничным слои

Т - турбулентный пограничный слой

м - для параметров в минимальном сечении канала

а - для параметров в выходном сечении канала

сж - сжимаемый

н.сж - несжимаемый

св.з -сверхзвуковая часть

д.з -дозвуковая часть

э -энергия

н -начальное значение

Сокращения

ПС - пограничный слой

ППС - переходный пограничный слой

ТПС - турбулентный пограничный слой

6

Введение

В энергетических машинах широко применяются различные каналы, где осуществляется разгон, торможение или подвод газа к узлам и элементам конструкций. Газодинамическая эффективность газоводов и выхлопных устройств в значительной степени меняется в зависимости от характера течения рабочего тела, как в пограничном слое, так и в ядре потока[4].

Известно большое число расчетных и экспериментальных работ, посвященных изучению как ламинарного, так и турбулентного пограничных слоев [1,10,14,19,21,40]. Вместе с тем изучению условий перехода и созданию расчетных методов, позволяющих производить расчетные оценки характерных параметров, связанных с областью перехода, посвящено очень малое количество научных работ [5,13].

Проблема ламинарно-турбулентного перехода, определение условий возникновения турбулентных течений, начало и протяженность переходного участка, возникновение и сохранение ламинарного течения при котором уровень гидравлического сопротивления и теплового воздействия минимален, является весьма важной и актуальной задачей, от успешного решения которой во многом зависит газодинамическая эффективность и массовые характеристики технических устройств.

Существует мнение, что переход от ламинарного режима течения к турбулентному занимает небольшую часть обтекаемой поверхности и часто эта область течения газа при расчетах пограничного слоя заменяется точкой (точкой перехода). В действительности переходный режим течения занимает заметную часть обтекаемой поверхности и имеет место при изменении числа Рейнольдса не менее чем на порядок.

Рассмотрим в качестве примера несколько случаев, в которых зона перехода играет важную роль. Результаты измерений локального теплопереноса в охлаждаемых лопатках турбин [49] показали, что для чисел Рейнольдса Яе = 10б, при уровне турбулентности набегающего потока г = 1,8% переходный

пограничный слой располагается на расстоянии, составляющем свыше половины длины поверхности разряжения для исследованного профиля.

Другим примером является выполненное в работе [36] Масаки и Якурой исследование теплопередачи на поверхности космических кораблей типа «Спейс Шаттл». Конструкция системы термозащиты, которая может составлять более 10% сухого веса кораблей такого типа существенно зависит от величины максимальных тепловых потоков, определяемых течением в зоне перехода. Масаки и Якура показали, что уменьшение расчетных проектных значений максимальной температуры приблизительно на 280 0 С, которое вполне может быть оправдано более точными и моделями оценки протяженности зоны перехода, по сравнению с точечными значениями внезапного перехода, о которых упоминалось выше, может быть достаточным для коренного изменения характера конструкции системы защиты. Таким образом, знания о зоне перехода, в действительности, играют важную роль при разработке оптимальных форм возвращаемых кораблей с горизонтальной посадкой.

В связи со значительным увеличением стоимости топлива за последнее десятилетие важной задачей конструирования космических кораблей стало обеспечение эффективности использования топлива. Это пробудило интерес к проблемам, связанным с восстановлением ламинарности (Нарасимха и Срини-васан, [39]), уменьшением турбулентного сопротивления (Бушнел, [24]) и управлением перехода от турбулентного к ламинарному течению газа (Липман и Носенчук, [34]). Развитие этих идей требует, вероятно, лучшего понимания процессов, происходящих в зоне перехода, т.к. в оптимальных конструкциях многоразовых космических кораблей могут иметь место обширные зоны переходного течения в пограничных слоях.

Эти факторы повышают роль исследования переходного состояния в пограничном слое и методов расчета течения как с переходом из ламинарной формы течения в турбулентную, так и с обратным переходом из турбулентной в ламинарную.

Ранее опубликованные методы не позволяли проводить всесторонний анализ состояния пограничного слоя и переходной области на пластинах и в круглых каналах различной формы и назначения.

Это приводит к необходимости разработки обобщающего метода, основанного на использовании интегральных соотношений импульсов и энергии, то есть интегральный метод в виде дифференциальных уравнений с обыкновенными производными.

Такой метод позволяет с достаточной надежностью определять тепловые потоки и напряжения трения в круглых каналах и на плоских пластинах.

Для проведения инженерных расчетов при проектировании, достаточную точность и скорость счета дает интегральный метод расчета параметров течения в переходной области, объединенный с методами расчета ламинарного и турбулентного пограничного слоя.

Выполненные в диссертации исследования имеют большую практическую ценность, поскольку применение разработанного метода позволяет оптимизировать выбираемые параметры и тем самым снизить тепловые нагрузки и гидравлическое сопротивление, улучшить массовые характеристики энергетических установок.

Разработанный алгоритм расчета не требует использования сложных программ, например, графических станций, то есть персонального компьютера с небольшим объемом памяти вполне достаточно.

Предложенный метод позволяет рассчитывать течения в пограничном слое как с переходом из ламинарной в турбулентную, так и с обратным переходом из турбулентной в ламинарную, которую называют «ламинаризацией пограничного слоя» [17,18]. Создание метода расчета реализованного в виде программы, с помощью которой можно достаточно точно определять тепловые потоки и напряжения трения в сопловых каналах, при различных режимах течения (ламинарный, переходный и турбулентный ) является основной целью настоящей работы.

Таким образом, цели работы можно сформулировать следующим образом:

- исследование переходной области течения потока в пограничном слое в круглых каналах и на плоских телах;

- создание физико-математической модели для моделирования переходной области течения в пограничном слое;

- разработка нового обобщающего метода расчета пограничного слоя, позволяющего определить параметры переходной зоны в пограничном слое;

- изучение характеристик пограничного слоя для течений с различными градиентами давления.

Научная новизна полученных результатов в работы состоит в следующем:

- исследование теплогидравлических характеристик каналов при различном характере течения жидкости или газа;

- предложена новая критериальная зависимость законов трения и теплообмена, описывающая переходную область течения в пограничном слое;

- разработан новый обобщающий метод расчета пограничного слоя в области перехода как из ламинарного в турбулентный, так и обратно - из турбулентного в ламинарный;

- получены новые зависимости для определения изменения толщины потери импульса в пограничном слое при обтекании тел с изломом образующей.

В данной работе защищаются следующие основные положения:

- результаты исследования переходного режима течения в пограничном слое в различных каналах;

- новый обобщающий метод расчета "переходного пограничного слоя, позволяющей точно определить тепловые патоки и напряжения трения в различных каналах и на плоских пластинах;

- критериальные зависимости, необходимые для определения параметров переходных зон, факторов, влияющих на процессе перехода в каналах.

Глава 1.Обзор литературных данных по переходным режимам в пограничном слое.

1.1.Обзор литературных данных по переходу ламинарного пограничного слоя в турбулентный.

В последние годы в исследованиях течения пограничного слоя все более важное значение приобретает задача изучения перехода от ламинарного к турбулентному характеру течения пограничного слоя. Хотя еще несколько лет назад исследователи говорили о наличии точки такого перехода, то теперь понятно, что переходная область может занимать большой протяженный участок вдоль поверхности стенки.

Первый значительный шаг в обоснованном описании зоны перехода в пограничном слое сделал Эммонс [28], предположивший, что переход происходит через «островки турбулентности», окруженные ламинарным потоком. Эти островки он назвал пятнами. Это был существенный отход от преобладающей в то время точки зрения, согласно которой ламинарное и турбулентное течения были разделены рваным флуктуирующим «фронтом», проходящим через поток.

Эту точку зрения обобщил Драйден [27], когда получив по анемометри-ческим данным картину пульсирующих следов скорости, он заметил: «в этом случае переход происходит внезапно, но точка перехода перемещается вдоль пластины вперед и назад». При этом он частично исправил, а частично повторил Прандтля, который ранее отметил [44]: «на самом деле переход происходит в области заметной длины, и большинство экспериментов свидетельствует о том, что положение точки возникновения турбулентности осциллирует во времени».

Структура течения в области перехода

Найти способы теоретического расчета возникновения турбулентности до сих пор не удалось, поэтому процессы, происходящие при возникновении

турбулентности, т. е. при преобразовании ламинарного течения в турбулентное, пока еще недоступны для чисто теоретического исследования. Однако в последнее время выполнены весьма значительные экспериментальные исследования механизма возникновения турбулентного течения.

Решающее открытие сделал Г. В. Эммонс [29]. Наблюдая за течением слоя воды толщиной от 3 до 6 мм по слегка наклоненной стеклянной пластинке, он обнаружил следующее. В какой то произвольной точке 8 (рис.1) внезапно возникает небольшая турбулентная область (турбулентное пятно) неправильной формы. Это турбулентное пятно А, увлекаемое течением, постепенно увеличивается и через некоторое время принимает вид, изображенный на рис.1 (заштрихованная площадка).

Такие турбулентные пятна возникают через различные промежутки времени в разных, неравномерно распределенных точках пластинки. Их размеры и частота возникновения в фиксированной точке пластинки возрастают с увеличением скорости течения и с увеличением возмущений в протекающей жидкости.

В свете фактов, обнаруженных Эммонсом, возникновение нарастающих синусоидальных волн, наблюдавшихся в опытах Шубауэра и Скрэмстеда [46], можно понимать как потерю устойчивости ламинарного режима перед появлением турбулентных пятен.

Таким образом, процесс перехода ламинарной формы течения в турбулентную можно объяснить следующим образом. Под влиянием вязкости на пластинке (или в общем случае на теле) образуется ламинарный пограничный слой. Разного рода причины: неравномерность внешнего течения, звуковые волны, неровности поверхности пластинки, вибрации пластинки - вызывают появление небольших движений, возмущающих пограничный слой. Место и время возникновения этих небольших возмущений, а также их частота и амплитуда распределяются статистически неравномерно.

В пограничном слое каждое из таких возмущений либо нарастает, либо затухает. Именно этим и объясняется, что вниз по течению от точки потери устойчивости возникают большие возмущающие амплитуды, вызывающие образование турбулентных пятен, в то время как в других точках эти возмущающие амплитуды получаются небольшими. Каждое из таких турбулентных пятен перемещается в направлении течения и при этом увеличивается в размерах. Одновре