автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Особенности теплотехнических характеристик теплоиспользующих установок с вогнутыми элементами конструкций

"^осковск^ т^довогс красного знамени

текст/иъный чнст1ггут 1и. а.н.косыгина

Ни празах рукописи

¡ЛОТУЛЕВЩ АНДРЕЙ ВЛАДИСЛАВОВИЧ УДК 532.5-536.25

особенности теплошейпеосих характеристик тешоиспользу; -их устансвок с вогнутыми элед ^ конструкций

*

05.14.04 - ) энная теплоэниргатика

А 3 Т 'ЙФЕРАТ

длоовртации на соискание ученой стошки кавдвдата твхшгюаклх наук

Москва - 199:1 ]

Работа выполнена б Московском ордена Трудового Красного

Знамени текстильном институте имени Л.Н.Косыгина

«

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Охотин A.C.

Официалышо оппоненты: .

доктор технических наук, профеооор " Галактионов В.В.

кандидат технических наук • Кожинов И.А.

Ведущая организация: * . ■ ; .' • , •

Научно-производственное объединение "Солнце" АН ТССР, г. Amxadaj

Защита'состоится " 1*(" «дчрТ«? I99|l!r. в >0 чаоов на заседании специализированного оовэта К 053.25.06.в Шокового», ордена Трудового Красного Знамени текстильном институте им. А.Н. Косыгина по адресу: II79I8, Москва, М.Калужская ул., д. I.

С ^диссертацией можно'ознакомиться в библиотеке инотитута.

ь

___Автореферат разослан " Q " ^^ I9Sirr.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЩШБЙИРОВАНКОГО СОВЕТА ' ; .

кандидат технических наук, доцент Корнеев С.Д

• • ■ -"Г

подписано в печать 25.01,91 Сдано в производство 28'.01.91 Формат бумаги 60 х 84/16 Бумага множ.

Усл.печ.л. 1,5 Уч.-изд.л. 1,25 Заказ т26 Тарах 100 ¿есплатно

Ротапринт üTii, 11741а, Москва, ул. Донская, 26,

-- - •: ■.. ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. Актуальность тени. Научно-техническая революция,1 в период -.которой мы кивэм, но только резко увелич/ла возможности человечества1 во г всех областях его деятельности, по и породила целый ряд -кризисных ситуаций, многие из которых стали угрожать самому существованию человечества на Земле. К числу наиболее опасных относятся тесно связанные мезду ообой энергетический и экологический кризисы. Особенно остро обстоит дело с органическим топливом, большое его количество затрачивается на различные технологические процессы. Так, например, затраты топлива . а сулсу различных продукт 1в, а также ид производство чёрные и цветных металлов, нефтепереработку, 'производство цемента, проката, киршгча, стекловаренную и другие виды промышленности по ориентировочным подсчетам составляет 110-120 % от сгорающего в топках электростанций.

Одной из причин несовершенства существующих технологических аппаратов и систем является сложность' протекающих в них гидродинамических, а также тепло- и массообменных процессов, о которых мы, как правило, не имеем достаточной информации, а имеющуюся не мокем оптимально ислользовать.•За последнее Ерамя появилась идоя создание оптимальных технологических аппаратов л систем болев быстрым, экономным и эффективным способом, минуя стадию полупромышленных испытаний [1].

Метод основан на создании так называемых уравнений аппаратов, и систем, связывающих мавду собой входные и выходные параметры технологического процесса о геометрическими и конструктивными характеристиками аппаратов я их дальнейшей оптимизации по любому параметру, представляющему интерес (расход топлива или другого вида сырья, количество вредных выбросов, стоимость установки или продукции, ей габариты или вес и тому подобное).

Полученная система уравнений включает в себя источшковые члены, характеризующие динамическое взаимодействие элементов кон-, струкции с потоком в уравнении импульсов или тепломассообмены в уравнениях онергиц или диффузии соответственно. Конкретный вид эти£ членов, их зависимость от локальных характеристик потока могут быть найдены как расчетным, так и экспериментальным путем.

На сегодняшний день довольно мало изучено обтекание элементов конструкций вогнутой формы, где развивается специфическое течение с элементами встрочного потока, существонно сказывающегося на интенсивность динамического ¡г теплового взаимодейотвия потока жидкости с поверхностью. Ещё Меньше данных для вогнутых элементов, частично дренированных либо за счёт отверстий, лпбо> за счет пористых элементов поверхности. •

При этом можно назвать целый ряд технологических устройств, где с этими или подобными элементами приходится иметь дело: аппараты погружного горения, матерчатые фильтры, отбойники пара и другие. Число таких примеров можно было бы существзнно расширить.

Цель роботы. 1[элыо данной^диссергационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование характеристик течение, а также динамического и теплового взаимодействия шт и с ■оссесишетричным чашеобразным вогнутым телом с донными отверстия-ш различных размеров, необходимое дм математической оптимизации .технологических установок, использующие аналогичные элементы. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1) разработать экспериментальную, методику и провести опытные исследования гидродинамики и теплообмена полусферического чашеобразного вогнутого тела, симметрично омываемого невозмущенным потоком газа.

2) с использованном усовершенствованной программы численного счета "САПФИР"'провести детальный знали- гидродинамического и теплового взаимодействия потока с вогнутым телом.

3) проанализировать влияние проницаемости поверхности в диапазоне параметров, представляющих практический интерес.

4) дать практические рекомендации для расчета собтветсгвую- '" щих элементов технологического оборудования. ....

. Научная новизна. Дяя осесишатричных тел с донным отверстием, омываемых невоз,пущенным потоком, размеры которого существенно провисают диаметр тела: /-'

- впервые проведено детальное комплексное 'пьезомэтрическое, тогщмэтричвог.ое и оптическое экспериментальное исследование взаимодействия потока с телом;

- впервые о помощью программы "САПФИР" проведено детальное расчетное наследование полей скоростей и температур, распределение давлений вдоль ъ^утранней поверхности тела;

- впервые методом сквозного счета было оценено влияние на процессы такого взаимодействия проницаемости материала обтекаемого тела.

Практичеокая ценность работы. Результаты работы позволяют получить необходимую информацию для определения вида и количеот-венных характеристик источниковых членов j уравнениях сохранения имл.льоа и анергии, лежащих в ссиове нового перспэктивкого метода создания оптимальных те-.снологических аппаратов и сш :ои.

Кроме того, они могут, быть использованы при ооэдании ряда элементов новой техники. : '

Апробация работы. Диссертационная работа в полном объёме докладывалась и обсуждалась на квалифицированном научном семинаре кафедры промтеплоэнергетики Московского ордена Трудового Красного' Знамени текстильного института им. А.Н.Косыгина (I99G г.). Кроме того основные результаты работы были долокены на У Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы газодинамики и теплообмена и пути повышения эффективности энергетических установок" (Усть-Нар-ва, 1965)j на 1У Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирок, 1966); на У1 Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и путл повышения эффективности энергетических установок" (Волгоград, 19Ь7).

Публикации. По тема диссертации опубликовано пять работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы, содержащего 63 наименования. Содержание диссертации изложено на 174 стп,, вздаяая 69 ■ рисунков.

ОСНОВНОЕ С0Ж?лАШЕ ДШСЕРТАЦЮ1

Введение. В начале работы обращаема вшшание на неудовлетворительное полокеняе в области создания технологических уотано-вок, оптимизированных по затратам топлива и других видов сырья,

выбросами экологически вредных веществ, стоимости установи! и производимой продукции и т.п. Одной из главнВх причин создавшегося положения является сложность протекающих-в аппаратах процессов гидродинамики, тепло- и массообмена и отсутствия точных сведений об особенностях тех из них, которые играют решающую роль.

За последнее время для решения поставленной задачи с успехом' начинают пользоваться математическим моделированием, позволяющим производить интегральную и локальную оптимизацию конструктивных и режимных параметров. При этом надо иметь дотальные теоретические или экспериментальные сведения о работе основных элементов, из которых состоит установка.

Глава,!• Состояние вопроса и задачи исследования Данных по.гидродинамическому и тепловому взаимодействию не- . возмущенного потока с вогнутыми телами, встречающимися ^ различных технологических установках, в том числе и с донными отверстиями, крайне ¡.¡ало. Наиболее близкими по физическому характеру к' раогчатриваемому случаю, по крайней мере качественно, являетоя взаимодействие жпактиых ст.пуЗ с телами различной фэрмы. В обоих случаях гидродинамика и определимый ею теплообмен формируются в условиях резкого изменения напраиугашш Ьотока вплоть до обратно. го, образовашем "лобовых точек", в которых происходит раздвоение струй, взаимодействие встречных потоков и т.п.

Характерной особенностью взаимодействия струи с поперечно расположенным относительно большим препятствием является возникновение точки раздвоения струй, нач.лая от которой, скорость невозмущенного вязкостью потока до некоторого расстояния возрастает, а затем начинает падать. Ь окрестности точки раздвоения струи теплообмен определяется пристенным градиентом скорости невозмущенного потока в набегающей струйке тока.-

Естественно, что точка раздвоения струй при обтекании вогнутого тела широким потоком'находится в условиях существенно отли-"чакхцихся от характерных для взаимодействия ш.шактной струи о пло-оким или выпуклым П1 геречно расположенным препятствием, так что опубликованные ранее соотношения в нашем случае могут иметь лииь условные качественные значения.

. Среди.многочисленных вариантов взаимодействия ограниченных струй с разлечкимл телам;! неокэльзо к рассматриваемому в

Данной работе относятся случаи струй, проникающих: тец или иным опособом в область тупиковой зоны. Замеры давления и визуальные наблюдения показали, что ка дне тупика возникала застойная зона со слабо выраженным вихревым движением, которая, взаимодействуя о разворачивающейся струёй, образовывала на боковой поверхности ещё одну "лобовую точку": ситуация качественно очень похожая на наблюдаемую в наших экспериментах.

Именно в этой области обнаруживалось"небольшое повышение статического давления и пик коэффициент теплообмена. 3 застойно^ зоне, возникающей в торцевой части тупика, интенсивность теплообмена-минимальна, (примерно на 30 % меньше по сравнению со струёй, ударяющей в пластину). Однако, несмотря на наличие застойной зоны, сроднил теплообмен при течении в тупике выше, чем при взаимодействии струи с поперечной пластиной.

Это связано с тем, что п последнем случав при достаточном удалении от 'лобовой точки скорость снижается, в то время как ге- . ометрия тупикового капала с находящимся внутри него соплом приводит к увеличению этой скорости. С аналогично:! ситуацией, вызванной иными починами, ми столкнулись и при обтекании вогнутого тела с отверстием, омываемым иироким потоком.

Проведенный анализ теоретических и экспериментальных работ позволяет сделать следующие вызоды: •

1) накоплен облкрний экспериментальный и в меньшей степени теоретический материал по характеру и тепловому взаимодействию с^телами импактных струй, размеры которых существенно меньше поперечных размеров обтекаемых тел.

2) обтекаемые тела в большинстве случаев являются плоскими или выпуклыми. Существует весьма ограшгченное количество работ аналогичного направления, когда импактная струя вводилась Енутрь тупикового вогнутого тела.

3) практически не изучено динамическое и тепловое взаимодействие с вогнутым телом потока, поперечные размеры которого велики по уравнению о телом з случаях как сплошной, так и проницаемой поверхностей.

Результаты, полученные при изучении импактных струй, в данном случае могут представлять лишь качественный интерес.

Ж

Глава П. Экспериментальная установка и методика проведения

опытов *

Целью эксперимента является исследование'распределения на поверхности вогнутого тела статического давления, тепловых потоков п направления скоростей в пристенной зоне.

Дчя возможности сопоставления о дальнейшим расчетом установ- ' ка должна обеспечить устойчивость течения, четкое определение краевых условий для скоростей и температур перед вогнутым телом, а такие отсутствие сильного влияния сжимаемости. Всем этим условиям в достаточной мере удовлетворяет продувка модели вогнутого тела в сверхзвуковой аэродинамической трубе, рабочая камера которой имеет возможность визуализации процесса. Оптическое определение положения прямого скачка уплотнения позволяет фиксировать краевые условия для скоростей и температур перед телом.' 1 ' Опыты проводились на тепловой сверхзвуковой аэродинамической трубе' института прикладной и теоретической мехайики СО АН СССР. Установка снабжена рядом измерительных комплексов, а также системой автоматического спроса и записи экспериментальной информации.

Рабочая часть установки состоит из двух моделей вогнутой чашеобразной формы (рис. I, 3), одинаковых размеров, но выполненных из разных материалов - металла и йеплоизолятора (текстолит). Модель представляет собой правильную полусферу с донным цилиндрическим отверотием и крепежным кольцом в тыльной части модели.

Первая модель для исследования тепловых режимов выполнена из текстолита'с.'графитовой полосой, расположенной по дуге чаши, равной четверти её окружности от среза к донному отверстию.

Дня определения локальных коэффициентов теплообмена был использован метод тонкой графитовой проводящей пленки [2]. К графитовой пленке подводоны 15 хромель-коппелевых тер\рпа]3, равномерно расположенных по .длине пленки. Пленка имеет прямоугольный вид с размерами 11,5 х 53,6 мм. Пленка охватывает-дугу модели, равную 75,52°. Угловое расстояние между термопарами составляет около 4,5°. В связи с наличием в потоке мелкой пыли, приводящей к разрушению мягкого графита, он был защищен двумя слоями другой пленки из лавсана с. известными теплофизическими свойствами.

Схема тепловой модели с системой автоматических измерений представлена на рис. I.

11.5

Рис.Г. Модель для исследования тепловых режимов I - графитовая алеюсь; 2 - термопары

и

лаЬссш

грасрит ,термопара

Рис.2. Схема элемента измерительной пленки

Удельный тепловой поток находится как.отношение мощности подведенного постоянного тока к известной площади участка пленки, а разность те.'/лерагур, необходимая для определения коэффициента теплоотдачи, определяется из показаний термопар, установленных со отороны графитовой чаоти при нагреве и без нагрева ее при стационарном рекиме. Последняя о большой степенью_точности соответствует равновесной температуре.

■Принципиальная схема элемента измерительной пленки представлена на рис. 2, где Ь, - разность потенциалов, а 1 - сила тока.

Для повышения точности эксперимента проводились дополнительные тарировочные опыты и определялись тарировочные коэффициенты для кавдой из Термопар. Для одновременной регистрации и обработки показаний всех термопар, а такие для сокращения времени обработки полученных данных была применена система автоматизированного обора и обработки информации с использованием мшсро-ЭШ "йОКРА".

Модель, предназначенная для гидродинамических исследований (рио.1 3), предстаатяет собой металлическую чашу тех же размеров, чте и для тепловых исследований.

На' её внутренней стороне нормально к поверхности размещены . 20 отверстий, расположенных по спирали, с угловым шагом 2,5° от края чаши к донному отверстию. Модель онабжена, соответственно, 20-ю дренажными трубками, соединенными с групповым регистрирующим манометром ГО.1-1. Спираловадное расположение отверстий упростило технологию и на сказалось на результатах, благодаря осесим-ыотричноо!ги' течения. Измерение статических давлений производилось прямым методом.

Определение направлений скоростей в пристенной зоне производилось методом оажемасляной визуализации. Он состоят в нанесении на поверхность тела г.руглщ цветных масляных пятен, которые имеют возможность растекаться под воздействием потока. Обработанная таким способом модель бистро вводится в поток, л после продувки на её поверхности образуется характерная штриховая картина. Смазанные точки показывает направление скоростей (рис. 4).

Положение скачка уплотнения и картина обтекания всего- тела ¿лксировалась,методом шжгрен йотограсТли при помощи прибора ИаБ--451 с послсдупсрй рассафровкой либо черно-белой йотографии, либо цветной с'помощью метода ог.воденоктных полей.'

1Г

1 2

Рис.3. Модель для исследования гидродинамики

1 - отверстие для замера.давления;

2 - подведенная к отверстию дренажная

трубка

Рис.4. Результат сажзмасляноЛ визуализации

к;.

Глдва 111. Результаты экспериментальных исследований

Было проведено большое количество опытов с целью выяснения общих закономерностей обтекания вогнутых моделей, а также выявления детальных особенностей гидродинамических и тепловых режимов внутри чашеобразного тела.

Перед значительно!*; частью модели образуется -прямой скачок -уплотнения, позволяющий чётко определить граничные условия для нолей дозвуковых окороотей и температур, необходимые для численного анализа процесса. Некоторые иокриатения формы скачка у краев модели в области взаимодействия набегающего потока с газом, выходящим навстречу из чашеобразной полости, не оказывало серьёзного аздяния на процессы в области чаши.

Целью гидродинамических' экспериментов являлось качественное и количественное исследование особенностей течения газа ь вогну-• том чашеобразном теле в условиях устойчивого реяима, который возникает лань ирл наличии донного отверстия.

Для определения распределения скоростей во внешейчасти пристенного слоя, где из-за малости нормальных к поверхности градиентов скорости влиянием вязкости можно принебречь, экспериментально определялось распределение рдоль ¡Поверхности чаыи статических давлений.

Для определения направления пристенного вектора скорости использовались опыты с саае-масляной визуализацией. Этот же метод позволял выявить область "лобовой точки", где происходило раздвоение линий тока. •

На основании данных о ра определении давления вдоль поверхности чаши, а также используя результаты сажемасляной визуализации можно определить величины проекции скорости вблизи поверхности чаши на касательную к ней. Результаты представлены'-на рис. 5, где положительнш направлением скорости V считается совпадающее с криволинейной осью л (от входного оечения чаши' к донному отверстию). .

Характер движет:: жидкости довольно сложный.'Центральная струйса тока-проходит всю зону чаши и выходит в донное отверстие, а непосредственно прилегающие к ней отклоняются от основного на-йравления к ловорхиости чаши. Поток газа в центральной зоне чаши раздваивается (этот термин носит условный характер, так как речь

) 4

О /

и /

о / 20 40

X

/о

60

>М0*,м

Рио„5. Распределение скорости вдоль поверхности чаш при Яе = 2,57 х Ю6

идёт об осесимметричиом расщеплении струй) и направлен к поверхности чаши. Здесь он претерпевает вторичное раздвоение. В результате часть газа направляется навстречу основному движению и, претерпевая взаимодействие с набегающим потоком, выходит за пределы чаши. Другая часть газа выходяг через донное отверстие, причём судя по расчету на ЭШ (глава 1У), кольцевой вихрь перед входным отверстием но образуется.

Сечение, где происходит раздвоение набегающей струйки тока, играет роль лобовой точки плохообтексемого плоского гола, так как . оно существует только в меридиональной плоскости, и в силу осе-симметричности течения движение в азимутальном направлении отсутствует, Интерес к области, примыкающей к "лобовой" точке, связан с тем, что, как правило, там наблюдается локальный максимум коэффициента теплообмена, что делает её в реальных конструкциях уязвимой.

Однако течение типа лобовой точки внутри чаш обладает некоторыми особенностями.

Бо-первых. оно несимметрично относительно оси, проходящей через "лобовую" точку нормально к поверхности.

Во-вторых, характер набегающего на эту точку потока существенно отличается от соответствующего классическим случаям.

Наконец^ само положение "лобовой" точки а является

неизвестным, "и его определение требует специального эксперимента, либо адекватного ему метода расчета.

На значительном расстоянии от точки раздвоения струй изменение касательной к стенке компоненты скорости потока имеет линейный характер, что является типичны/.1 для обтекания лобовых точек притуплённых тел.

Целью тепловых испытаний являлось качественное и количественное исследование коэффициентов теплоотдачи в вогнутом чашеобразном теле о,донным отверстием в условиях устойчивою режима течения. о

Сила тока в ленте подбиралась так, чтобы с одной стороны обеспечить надежный замер коэффициентов теплоотдачи, а с другой создать достаточно- малую разность истинной и равиовосиой температур о целью уменьшения влияния переменности температурного фактора (Т/Т0) вдоль ленты.-

*

ш

Типичное распределение теплообмена вдоль поверхности чаши предотавлено на рис. 6. В области рзчдвоения струй тока наблюдается локальный пологий максимум интенсивности теплообмена, по обе отороны-от которого по направлению пристенных линий тога она несколько снижается. Такое изменение теплообмена характерно для лобовых точек притуплённых тел. Далее по ходу движения пристенных слоёв газа из-за резкого ускорения по мере приближения к входному сечению чаши с одной стороны и к донному отверстии с другой теплообмен вновь интенсифицируется. ' .

Знание локального теплообмена представляет большой практический интерес, позволяя в экспериментальных условиях выделить зоны повышенной опаоности. Не менее важно знать общую интенсивность теплообмена.

Полученные опытные результаты можно апроксимировать соотношением:

АГи* Яе^Рг0'4 (I)

Анализ большого числа теоретических и опытных данных, полученных для самых различных случаев теплового взаимодействия по-" тока несжимаемой жидкости с телами, показывает, что степенной показатель числа Прандтля в критериальных выражениях типа (I) не сильно отличается от предложенной величины. Численный коэффициент очевидно будет зависеть от йормы чашеобразного тела (сферическая 'эллиптическая, цилиндрическая и т.п.) и от соотношения диаметров донного и входного отверстий.

Глава 1У. Аналитическое исследование процессов взаимодействия потока с вогнутым телом.

Ограничения, связанные с возможностями установки и измерительной техники, не дали возможности проанализировать влияние ряда факторов, представляюсдах существенный инторес. К их числу относятся распределения скоростей и температур как внутри ча:ди, так и в её окрестности перед и за толом, влияние размера донного отверстия и формы задней части тела, особенности взаимодействия потом с плохо обтекаемыми телами при надичин проницаемости гЛ: по- • верхностк п некоторые другие. 3 связи с этим было проведено численное исследование взаимодействия стационарного ног ока жп-кости с вогнутым телом.

1Б.

Начальный профиль окорости перед моделью предполагался равномерным, что ещё больше приближает выбранную схему течения к условиям обтекания невозмущенним потоком. Предварительные оценки показали, что в большинстве случаев, лредотавишцих практический интерес, диссипативным членом в уравнении анергии можно пренебречь.

Решалась система уравнешй неразрывности, движения и энергии, которые можно представить в обобщенном виде с использованием коэффициента переноса Г<ь и источниковый члел

где ф , Гф и в уравнениях сохранения массы, количест-

ва движения в проекциях на оси X ц 2- , уравнения энергии при-

т

о

Решение полученной системы нелинейных и связанных мезду оо бой алгебраических уравнений базируется на итерационном процэо се.

, Вычислительное моделирование исследуемых процессов проводи лось с применением программы САПЙ1Р, разработанной на кафедре ТМПУ МЭЛ [з] и осущес«влялась на базе вычислительного центра *,Ы ниотерства связи СССР о использование/.! ЭН.1 ЕС-1055.

Во всех точках объёма определялись компоненты окорости и V , а такке давление газа. На всех рехслмах удавалось доотаточ точно фиксировать положение точки раздвоения струй.

шшают значения, соответственно:

Ф 4 Ц . V/

Гф о : ^

" ЭР

сг о _ £1. - —

^ ■ и ^ В*

Интересно отметить, что в исследованном диапазоне режимов и размеров донного отверстия с ростом пооледного окорость в горловине не-'падает, а раотет. Это свидетельствует о том, что влияние .доли потока, устремляющегося через дойное отверстие, превалирует над Противоположным влиянием роста потока через выходное сечение. Положительные значения скорости на всём протяжении оси говорит об отсутствии вихрей перед отверотием, существование которых предполагалось" при предварительном анализе результатов эксперимента., В работе приведены профили продольных "оппонент скорости в радиальных поперечных сечениях при изменения числа Рейнольдса набегающего потока. Часть потока, лежащая левее "лобовой точки", направлена навстречу набегающему течению, обеспечивая выноо определенной доли рабочего 1-ела через кромку чаши, что существенно влияет на распределение скоростей перед телом. 0 ростом скорости набегающего потока доля сечения, занятая обратным течением, возрастает. Увеличение отверстия приводит к росту как продольной, так и поперечной компонент скорости, однако существенное влияние проявляется лишь вблизи отверстия, в то время как в центральной и во входной части оно незначительно. • • '''

Пользуясь полученными в расчете полями скоростей можно построить линии тока.. Типичный график для одного из исследованных режимов приведен на рис. 7. Качественно он полностью соответствует модели, полученной при экспериментальных исследованиях.

Приведенные расчеты дали возможность определить поля не только скоростей и давлений, но также и температур, а, следовательно, сделать выводы о распределении интенсивности теплообмена на поверхности тела. 3 центральной части температура потока метется незначительно. Однако в окрестностях лобовой точки, а также при приближения к переднему сечению тела и^горловине донного отверстия вблизи поверхности изотермы- заметно сближаются. Это сви-детодьстйуот об увеличении тепловых потоков, что согласуется о опытными данными, приведенными в предыдущей главе.

- На рис. В приводятся тшшчниэ, дагато о распределении температур' внутри вогнутого тела при различных числах Рейнольдса набегающего потока. Градиент температур во всех рассмотренных сечениях с ростом числа Рейнольдса возрастает.

ло

Рис.7, Линии тока внутри вогнутого тела при Яе = 1600 и <¿/2) т 0,175

потока

Условия, формирующие поток за док"оЯ частью модели, вообще говоря, должны' влиять 'на гидродинамические и тепловые характеристики внутри вогнутого тела. Для оценки величины этого влияния ¡были проведены расчеты для олучаев тонкостенной и толстостенной модели. Размеры донной части тела, практически не влияя на течение вблизи тела, довольно заметно сказываются на характеристиках потока внутри чаши, особенно вблизи отверстия: в случае тонкой стенки осевая скорость начинает резко возрастать, в то время гак. гидравлическое сопротивление , возникающее .. толстой стенке, приводит к запиранию потока. Влияние толщины задн~й кромки на поле температур менее заметно, чем на поло скоростей.

В ряде практически интересных задач приходится сталкиваться о обтеканием пористых тел, когда на лобовой поверхности возникает отсос, а на кормовой - вдув вещества.

В реальной обстановке интенсивность просачивания вещества через пористое тело зависит от распределения давления на противоположных сторонах элемента, которое в свою очередь связано с интенсивностью просачивания. Использовался сквозной счот о при- .. менением различных значений источникового члена в уравнениях количества движения для случая пористого тела и внешнего пространства (2). Чтобы несколько сократить расчеты, форма модели была . выбрана упрощенной: рассматривался поперечно обтекаемый проницаемый тонкий диск, помещенный в цилиндрическую трубу существенно больших размеров. Расчеты отдельных режимов для вогнутого тела показали качественно аналогичное влияние всех определяющих параметров. '

- Обычно с увеличением отсоса трение на поверхности возрастает, что связано с уменьшением толщины пограничного слоя и увели-чешем заполненности профиля скоростей. Аналогичный эффект мы 1 наблюдаем и в нашем случае при малЬх интенсивностях отсоса. Однако,- о увеличением коэффициента проницаемости отоос может настолько возрасти, что существенно меняется характер течения в т.н. "невозмущенном" потоке, где мало оказывается вязкость (рис. 9).

В отличие от влияния на трение, рост интенсивности отзоса приводит к большей заполненности поо^шей температур' и монотонному увеличению интенсивности теплоЕых потоков во всем диапазоне

Рас.9, Зависимость трепля на поверхности проницаемого диска от интенсивности отсоса

т-т*

Рис.10. Распределение температур в окрестности центральной струйки тока в зависимости от расстояния до диска при различных значениях коэффициента проницаемости

сследованных значений параметра К (рис. 10). При К< Ю-6 лияние проницаемости на трение но привыкает 10 %, а на тепловой оток оно ещё меньше.

Полученные результаты были использованы для теплового расче-а выпарных аппаратов с учетом потерь тепла на элементах вогнутой ормы, а также для расчета размеров ситчатых тарелок ректификаик-нных колонн.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ' •

1. Разработана методика и создана экспериментальная устштов-а для комплексного пьезометричзского, гидродинамического, са-;е-асляного, теплового и оптического исследования взаимодействия отока с вогнутым телом слпшой формы.

2. Исследованы распределение поверхностного давления, струк-ура потока внутри тела и представлена гидродинамэтеская схема ечення. Обнаружена кольцевая линия торможения струй (аналог ло-овой точки гоюхообтекаемых тел) с последующим ускоренным двияе-ием жидкости по напрашениям к наружному срезу и донному отвер- , гии тела.

3. Исследован теплообмен потока о внутренней поверхностью ела. Обнаружен пологий максиму?,1 коэффициента теплоотдачи в ок-эстнооти линии раздвоения струй, два локальных минимума интенси-нооти теплообмена на некотором расстоянии от лобовой точки о эследукцим его возрастанием при приблияении к наружному срозу зла и донному отверстию.

4. Усовершенствован применительно к рассматриваемой' задаче исленный метод решения ("САПФИР") уравнений сохранения в частных роизводных: учет криволинейности стенок, "сквозное" решение для эчения в различных областях, ликвидирующее необходимость их сра-явания на, границах. Уравнения решались в п&шом виде без исполь-звания пдаближешй теории пограничного слоя.

5. В исследованном диапазоне определяющих параметров наблю-алооь удовлетворительное (с точностью до ошибок эксперимента) зчественное согласование расчетов с опытными данными, что поЬво-1Л0 разработать и осуществить программу математического экспери-энта за пределами параметров, использованных в физических опы-IX. Подтвервдено существование кольцевой линии раздвоен;:« струй,

а локальным максимумом теплового потока.

6. Детально изучено поле скоростей и характер линий тока вс внутренней области тела, а таюхе распределение поверхностного давления при различных значениях чисел Рейнольдса и размерах до! ного отверстия. Показано, что поле скоростей в относительных координатах зависит как от числа Рейнольдса, так и от размеров до* ного отверстия,

7. Изучено влияние на характер течения внутри вогнутого Tej изменения толщины его задней стенки, приводящего к различным условиям обтекания тела внешним потоком. Показано, что увеличение толщины стенки приводив к росту гидродинамического сопротивлянш вытекающей струе и сильной деформации потока внутри вогнутого Tf ла вблизи выходного отверстия.

6. Изучено пространственное поле температур, характер изотерм и распределение интенсивности теплового потока на поверхно! ти вогнутого тела при различных значениях чисел Рейнольдса и ди! метров донного отверст*«. Подтвержден обнаруженный эксперимента' льно характер изменения коэффициентов теплообмена вдоль тела и, в частности, наличие его максимума в окрестности линии раздвоен, струй.

9. Изучено влияние проницаемости поверхности плохо обтекае мого тела да его динашчеокое и тепловое взаимодействие с поперечным потоком. Показано, что с увеличением коэффициента прониц емости в окрестности лобовой точки тепловой поток монотонно БОЗ .. растает, в то время как поверхностное трение проходит через мак оимуы. Полученные данные были использованы при расчете размеров ситчатых тарелок ректификационных колонн.

*Ю. Наряду с данными о локальных значениях интенсивности теплообмена получено инженерное расчетное соотношение для завис мости'среднего критерия Нуосельта от определяющих параметров. Э ооотношение. было использовано при теюговом расчете выпарных уст новок., о

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

I. Мотулевич A.B. Экспериментальное изучение гидродинамик и теплообмена при взаимодействии сверхзвукового потока с вогнутым телом. - Тр. У Воосою&ной школы-семинара "Современные npoöj;

ми гидродинамики и теплообмена и пути повышения эффективности энергетических установок". Москва, ¿¡365, стр. 3.

2\ Мотулевич A.B., Трофимов В.М., Трубачеев Г.В. Теплообмен о вогнутым телом при сверхзвуковом обтекании. - Тр. 1У Всесоюзной школы молодях ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики". Новосибирск, 1986, стр. 5-6.

3. Мотулевич A.B. Теоретический анализ гидродинамики вогнутых тел, омываемых потоком газа. - Тр. У1 Всесоюзной школы-семинара "Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок". Волгоград, 1967, стр. 14.

4. Мотулевич A.B., Охотин A.C. доследование газодинамических характеристик и интенсивности теплообмена плохообтекаемых тел. Сб. научн. трудов й 133, ¡Л., Моск. Энерг. ин-тут, 1987, стр. 53-56.

5. Мотулевич A.B., Охотин A.C. Влияние проницаемости поверхности на гидродинамику и теплообмен плохообтекаемых-тел. Сб. научн. трудов J5 173, М., Моск. Энерг. ин-тут, 1968, стр. 36-40'.

Принятые обозначения

С - теплоемкость

3) - диаметр вогнутого тела

1 - сила тока в графитовой пленке

К - коэффициент проницаемости пористого тела

Мл* - критерий Нуссельта для принятой модели процесса

Рг - критерий Праццтля

Ъ - удельный тепловой поток

ft радиус диска

Яе - критерий Рейнольдса

- поперечная цилиндрическая координата

- обобщенный источниковый член'

Г - температура

То - равновесная температура

\

- температура стенки

T«j - температура невозыущенного потока

U - напряжение на концах графитовой планки

U, V/ - продольная.и поперечная компонента скорости, соответственно

\J

Uw

u«

Uw'

X Гф

S 1\

■ P S

Ф

- скорость пристенной струйки тока

- нормальная к поверхности скорость отсоса

- скорость найегаицего потока

»- • »

- относительное значение интенсивности отсоса

и Л

- продольная координата

- обобщенный коэффициент переноса

- толщина защитной плешей

- коэффициент теплопроводности

- коидйициент динамическом вязкости

- плотность

- поверхностное трение при наличии и отсутств1ш отсоса вещества, соответственно

- обобщенное обозначение определяющей переменной.

■Литература

1. Мотулевич Б.П. Гидродшамлка, тепло- и массообмен в тех нологических аппаратах. Сб. "Современные проблемы теплофизики". Новосибирск,' 19Ь6. С. 151-164.

2. Волчков Э.П., Лебедев З.П., Дцыкин А.И. Теплообмен при нерасчетном режима течения с завесой в сопле Лава .та - В гл. Теп ломаооообмен - У1, т. I, ч. I. î.'jihck, ISfcQ. С. 37-44.

3. Мотулевич Б.П., ¿.'убрин C.B. /Под род. Э.Д.Сергиевского. Численные методы расчета теплообмонного оборудования. - M. : МЗН IS69, - 76 с.

J- Jj ï^gJ^.