автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Расчетно-экспериментальное исследование локальных и осредненных характеристик теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя в прямых диффузорных и конфузорных каналах

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВВДЕНИЕ.

1. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ГИДРОДИНАМИКЕ И ТЕПЛООБМЕНУ В ГРАДИЕНТНЫХ КАНАЛАХ.II

1.1. Гидродинамика каналов переменного сечения.II

1.2. Результаты исследований теплообмена в градиентных каналах.

1.3. Теплообмен в отрывных зонах турбулентных течений.

1.4. Полу эмпирические методы расчета теплоотдачи в каналах.

1.5. Задачи исследований

2. ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООТДАЧИ В КАНАЛАХ С ПРОДОЛЬНЫМ ГРАДИЕНТОМ ДАВЛЕНИЯ.

2.1. Решение уравнения количества движения.

2.2. Преобразование уравнения энергии.

2.3. Решение интегральных соотношений импульса и энергии для степенного закона изменения скоростей и температур вдоль канала.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛОВ.

3.1. Экспериментальные установки

3.2. Экспериментальные участки

3.3. Методика измерения опытных величин.

3.3.1. Измерения.

3.3.2. Тарировочные и наладочные опыты.

3.4. Методика обработки опытных данных

3.4.1. При исследовании гидродинамики

3.4.2. При исследовании среднего теплообмена.

3.4.3. При исследовании локальной теплоотдачи

3.5. Анализ максимальной относительной погрешности опытного определения коэффициента теплоотдачи и скорости при течении газа в каналах.

4. АНАЛИЗ ГИДРОДИНА1ШЧЕСКМХ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ В ГРАДИЕНТНЫХ КАНАЛАХ.

4.1. Режимы течения в двумерных диффузорах

4.2. Приближенный расчет турбулентного пограничного слоя на входе в диффузор.

4.2.1. Решение уравнения импульсов для плоского погранслоя.

4.2.2. Расчет обтекания криволинейной поверхности потенциальным потоком методом конечных элементов.

4.2.3. Результаты расчета пограничного слоя

4.3. Поля скоростей при течении газа в каналах.

4.4. Влияние режимных и геометрических параметров на характеристики пограничного слоя для диффузорных и конфузорных каналов

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ГРАДИЕНТНЫХ КАНАЛАХ.

5.1. Теплоотдача безотрывных диффузоров.

5.1.1. Интегральный теплообмен.

5.1.2. Местная теплоотдача.НО

5.2. Теплообмен диффузоров с отрывом потока от стенки.

5.2.1. Теплоотдача в зоне с неустановившимся отрывом.

5.2.2. Теплообмен в диффузорах с двумерным отрывом потока.

5.3. Теплообмен в конфузорах.

5.4. Обобщение теплоотдачи в плоских каналах с различными режимами течения.

5.5. Теплоотдача в конических диффузорах и влияние на теплообмен температурного фактора

6. АНАЛИЗ ПОЛУЭМШШЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ И СОПОСТАВЛЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМ!.

6.1. Рекомендации по использовании полуэмпирических зависимостей для расчета теплоотдачи в каналах.

6.2. Определение теплоотдачи в диффузорных и конфузорных каналах и сопоставление с экспериментальными данными.

Решениями ХХУ1 съезда КПСС предусмотрено дальнейшее увеличение энерговооруженности народного хозяйства страны. В текущей пятилетке вырастет добыча природного газа, увеличится мощность всех видов транспорта, возрастет выработка электроэнергии пиковыми турбогенераторами. Решение этих вопросов связано со значительным развитием количественных и качественных показателей газотурбинных установок. При этом требуется дальнейшая разработка и исследование малоизученных вопросов турбостроения, в том числе тепловое и аэродинамическое совершенствование каналов - патрубков.

Специфические требования к патрубкам турбомашин предъявляются в транспортных энергоустановках, где ограниченные габариты приводят к необходимости выполнять переходные каналы сложной формы с последовательным чередованием конфузорных и диффузорных участков при наличии поворотов потока. При этом, в некоторых случаях, каналы с переменным по ходу потока сечением используются в качестве дополнительных теплообменников, повышающих к.п.д. цикла турбоуста-новки.

Для расчета теплового состояния и температурных напряжений в газоводах и патрубках турбин требуется знание краевых условий теплообмена, которые в турбомашинах выражаются обычно граничными условиями третьего рода. При этом замыкается система уравнений теплопроводности и появляется возможность расчета температурных полей, например, по одному из известных численных методов. В настоящее время исчерпывающих данных по этому вопросу нет, а коэффициенты теплоотдачи в сложных каналах турбомашин определяются в первом приближении по известным расчетным зависимостям для труб шзстоян-ного сечения.

Тенденция к увеличению единичных мощностей стационарных газотурбинных установок и связанное с этим повышение начальных параметров рабочего тела предъявляет повышенные требования к их надежности и экономичности. Определенная роль в этом принадлежит подводящим и отводящим системам турбины, состоящим в большинстве случаев из каналов с изменяющимся по ходу потока сечением.

При проектировании выхлопных и переходных патрубков турбома-шин важно учесть неравномерность распределения температур стенки канала. Этот фактор является доминирующим в расчетах надежности при пусках и остановках турбины. В газовых турбинах, где приходится встречаться с наиболее высокими параметрами рабочего тела, имеют место области отрывных течений, являющихся причиной местных прогаров материала деталей агрегата. Одной из задач турбостроения является устранение неравномерности по сеченшо канала профиля скоростей при течении рабочего тела. Ее решение позволит повысить экономичность установки, снизить вибрационные и шумовые характеристики агрегата, создаст условия к более нормальной и устойчивой работе всего вспомогательного оборудования.

Кроме тепловых турбин,в современной энергетике широко применяются также аппараты, элементы которых работают при градиентном течении теплоносителя (ШЭД-генераторы, каналы судовых дизелей, эжекторы и т.д.). При рассмотрении таких устройств встает вопрос об эффективности теплообмена при течении газа с градиентом давления в условиях внутренней задачи. Хотя подобные каналы известны и широко используются, однако накопленные к настоящему времени экспериментальные исследования по расчету теплоотдачи в них довольно скудны. Кроме того, следует отметить, что рассматриваемая задача не имеет достаточно точного теоретического решения.

Развитие теплоэнергетики, ядерной и ракетной техники, химической и других отраслей промышленности требует разработки методов теплового расчета таких сложных каналов, как диффузоры и кон-фузоры, так как из их комбинаций состоят всевозможные конструкциисистем. При этом в некоторых случаях требуется обеспечение интенсификации процессов переноса тепла, создание эффективных форм поверхностей теплообмена, получение расчетных зависимостей по определению теплоотдачи.

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование и создание методики расчета теплообмена в каналах с изменяющимся по ходу потока сечением применительно к используемым в газотурбостроении и других отраслях техники сложным каналам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анажза выполненных экспериментальных и теоретических исследований гидродинамики и теплообмена в каналах с переменным по ходу потока сечением сделаны следующие выводы:

1. Поставлена и решена полуэмпирическим методом задача о расчете теплоотдачи в безотрывных каналах диффузорного и конфузорно-го типов с учетом особенностей законов гидродинамики в градиентных течениях газообразных теплоносителей.

2. Численным расчетом двумерного потока методом конечных элементов установлена взаимосвязь между состоянием пограничного слоя на входе в диффузор и его теплотехническими показателями.

3. Предлагаются для практического использования эмпирические критериальные зависимости, полученные в результате исследования теплоотдачи в каналах с продольным градиентом давления при изменении в них режимных и геометрических характеристик.

4. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что переход от каналов постоянного сечения к диффузорному типу ведет к снижению интенсивности теплоотдачи движущегося потока.

5. Экспериментально показана возможность использования критериальных уравнений теплообмена пластины для расчета локальной теплоотдачи в конфузорах.

6. Проведенное сопоставление аналитических и экспериментальных данных по теплоотдаче в диффузорных и конфузорных каналах подтверждает удовлетворительную сходимость результатов.

7. Рекомендована методика расчета теплоотдачи для сложных переходных патрубков ГТУ, основанная на предложенных и апробированных зависимостях.

8. Использование системы охлаждения газовода специального назначения транспортной ГТУ существенно повышает ее эффективность.

Предполагаемый экономический эффект от внедрения результатов расчетных и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе, составил свыше 148 тыс. руб. на одной установке.

Проведенные в работе теоретический анализ и экспериментальное исследование процесса теплоотдачи в каналах с продольным градиентом давления цри различных режимах движения теплоносителя, включая и отрывные течения, позволяет оценивать отличительные особенности теплообмена по сравнению с безградиентными потоками, а обобщение экспериментальных данных в виде графиков и расчетных зависимостей облегчает их практическое использование. Материалы диссертации позволяют сформулировать задачи дальнейшего исследования диффузор-ных и конфузорных каналов по пути установления зависимости теплоотдачи в них от следующих факторов: а) состояния турбулентного пограничного слоя повышенной толщины на входе в канал; б) начальной степени турбулентности потока; в) неравномерности входного профиля скоростей, а также в каналах более сложной формы и на теплоносителях других типов.

1. Абрамович Г.Н. Турбулентное течение с обратными токами. -М.: Оборонгиз, 1958. - 243 с.

2. Александров Н.А. Исследование влияния геометрических условий на теплообмен при внутреннем турбулентном течении воздуха. -М.: ШИТ. Автореферат диссертации, 1972. 20 с.

3. Бакиров Н.У. Конвективный теплообмен в сужающихся и расширяющихся соплах. Изв. вузов СССР. Авиационная техника, № 4, 1958, - с. 62-71.

4. Бродский М.А. Конвективный теплообмен в плоском диффузоре. Доклады 1У научно-техн. конфер. "Технический прогресс в машиностроении". Томск, 1972, - с. 15-20.

5. Брэдшоу М., Себеси Т., Фернгольц Т. Турбулентность. М.: Машиностроение, I960. - 343 с.

6. Вансант И., Ларсон М. Конвективный теплообмен при дозвуковом течении в диффузорах. Труды америк. общ-ва инж.-мех. Серия С "Теплопередача", № 4, 1966. с. 61-71.

7. Стоффел, Уэлти. Влияние формы входа в дозвуковой диффузор на местные коэффициенты теплоотдачи. Труды амер. общ-ва инж.-мех. Серия С "Теплопередача", № 4, 1972, с. 22-26.

8. Веригин И.С. Исследования гидродинамики и теплообмена в осесимметричном диффузоре при вдуве однородного охладителя через пористую стенку. Автореферат канд. диссертации. - М.: МЛТИ, 1970, - с. 23.

9. Веригин И.С. Опытное исследование теплообмена в диффузор-ном канале с отрывом пограничного слоя. Вопросы двигателестроения. Уч. зап. ЯТИ. т. XXIX, - Ярославль: 1972. - с. 45-51 и с. 5259 и 1973. - с. Ill—117,

10. Веригин И.С. Течение в дозвуковом диффузоре при осложненных гидродинамических условиях. Массообменные и теплообменныепроцессы химической технологии, Ярославль: ЯШ, 1975, с. 38-41 и с. 98-109.

11. Веригин И.О. В сб. Двигатели внутреннего сгорания. Меж-вуз. сб. науч. трудов. Ярославль: ЯШ, 1981, - с. 118.

12. Гиневский А.С. Теория турбулентных струй и следов. М.: Машиностроение, 1969. - 400 с.

13. Гогиш Л.В., Степанов Г.Ю. Турбулентные отрывные течения. -М.: Наука, 1979. 367 с.

14. Гухман А.А., Кирпиков В.А., Гутарев В.В., Цирельман И.М. Исследование теплообмена и гидродинамического сопротивления при турбулентном течении газа в поле продольного знакопеременного градиента давления. ИФЖ, т. ХУ1, № 6, 1969. - с. 984-988.

15. Гухман А.А., Кирпиков В.А., Гутарев В.В., Цирельман Н.М. Исследования теплообмена и гидродинамического сопротивления при турбулентном течении газа в поле продольного знакопеременного градиента давления. ИФЖ, т. ХУ1, № 4, 1969, - с. 581-591.

16. Дорфман А.Ш. и др. Аэродинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. Киев: Изд-во АН УССР, I960. - 261 с.

17. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. М.: Энергия, 1970. - 384 с.

18. Евенко В.И., Соченов В.Н. Методика оценки эффективности теплообменных аппаратов и поверхностей теплообмена. Изв. вузов СССР, Энергетика, № 4, 1967. - с. 71-75.

19. Зысина-Моложен Л.М. Турбулентный пограничный слой при наличии продольного перепада давления. ЖТФ. М.: 1959. т. XXII, вып. II. - с. 19-30.

20. Зысина-Моложен J1.M., Зысин Ji. В., Поляк М.П. Теплообмен в турбомашинах. Л.: Машиностроение, 1974. - 335 с.

21. Зысина-Моложен Л.М., Есипенко Н.Д. Теплообмен в полостях турбин большой мощности. Энергомашиностроение, JS 9, 1975. - с.1-3

22. Ибрагимов М.Х., Субботин В.К., Бобков В.П. и др. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах. М.: Атомиздат, 1978. - 296 с.

23. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.- М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

24. Идельчик И.Е., Гинзбург ЯЛ. О механизме влияния условий входа на сопротивление диффузоров. ИФЕ, т. ХУ1, й 3, 1969 - с. 413-416.

25. Ильченко О.Т. и др. Теплообмен в выхлопных патрубках цилиндров высокого и среднего давления паровых турбин большой мощности. Теплоэнергетика, № 6, 1972. - с. 45-48.

26. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия, 1981. 417 с.

27. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1972. - 220 с.

28. Кирпиков В.А., Архипов Ю.А. Исследование каналов пластинчатого теплообменника с поверхностями типа "диффузор-конфузор". -Теплоэнергетика, гё 5, 1982, с. 56-59.

29. Кталхерман М.Г. Исследование турбулентных отрывных течений в канале (структура потока и теплопередача). Новосибирск: ИТПМ, Автореферат диссертации, 1970. - 24 с.

30. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен к трение в турбулентном пограничном слое. гл.: Энергия, 1972. - 342 с.

31. Кутателадзе С.С. Пристенная турбулентность. Новосибирск: Наука, 1973, - 351 с.

32. Кулаков М.В., Макаров Б.И. Измерение температуры поверхности твердых тел. М.: Энергия, 1979. - 96 с.

33. Коннор Д., Бреббиа К. Метод конечных элементов в механике жидкости. М.: Мир, 1979. - 263 с.

34. Кэйс В.М. Конвективный тепло- и массообмен. М.: Энергия,1972. 44В с.

35. Леонтьев А.И., Обливин А.Н., Романенко П.Н. Исследование сопротивления и теплообмена при турбулентном течении воздуха в осе симметричных каналах с продольным градиентом давления. ПМТФ, № 5, 1961. - с. 16-25.

36. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978. - 736 с.

37. Лужанский Б.Е., Солнцев В.П., Лимонов В.Г. К вопросу о расчете теплообмена в отрывных зонах. ИФЖ, т. XXI, № I, 1971. -с. 34-37.

38. Мелодиев А.Е., Игошин Е.К., Алексеенков О.Г., Суриков Е.В. Исследование конвективного теплообмена в конфузорах малых размеров. Изв. вузов СССР, & 12, 1980. - с. 71-74.

39. Мигай В.К., 1Удков Э.И. Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин. Л.: Машиностроение, 1981. - 272 с.

40. Мигай В.К.,Аналогия Рейнолъдса в пограничном слое с градиентом давления. Минск: сб. Тепломассообмен У, т. I, ч. I, 1976, с. I48-151.40а. Мигай В.К., Еыстров П.Г. Интенсификация теплообмена в волнистых трубах. Теплоэнергетика, № II, 1976. - с. 74-76.

41. Миронов Б.П. К расчету теплоотдачи в соплах. ПМТФ, В 4, 1966. - с. II6-I20.

42. Михайлов А.И., Борисов В.В., Калинин Э.К. Газотурбинные установки замкнутого цикла. М.: АН СССР, 1962. - 345 с.

43. Овчинников О.И. Влияние входного профиля скоростей на работу диффузора. Труды ЛПИ, М.-Л.: 1955, № 176, - с. 175-188.

44. Орландо А.Ф., Моффат Р.Д., Кейс У.М. Теплоперенос в турбулентных потоках при слабых и сильных положительных градиентах давления при продольном изменении температуры стенки. В сб.: Проблемы теплофизики и гидродинамики. - Новосибирск, I974,c.5-II.

45. Плоткин Е.Р., Лейзерович А.Ш., Муратова И.В. Исследование условий теплообмена в турбине K-200-I30. Теплоэнергетика, № 5, 1971, с. 27-31.

46. Преображенский В.Л. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978. - 704 с.

47. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. -Л.: Машиностроение, 1974. 479 с.

48. Райкин Л.И. О влиянии начальной толщины вытеснения пограничного слоя на эффективность конических диффузоров. Изв. вузов СССР, Энергетика, № 5, 1981. - с. 62-66.

49. Романенко П.Н., Леонтьев А.И. Экспериментальное исследование турбулентного пограничного слоя при движении газа в осесимметричных диффузорах с охлаждаемыми стенками. Труды МИИТ, вып. 139, 1961, - с. 15-26.

50. Романенко П.Н., Веригин И.С. Гидродинамика и теплообмен в осесимметричном диффузоре с однородным вдувом охладителя через пористую стенку. Ученые записки ПТУ, т. ХУ1, вып. 6, Петрозаводск: 1968, - с. 208-213.

51. Романенко П.Н., Веригин И.С. Влияние поперечного потока массы на теплообмен и динамику потока при турбулентном течении нагретого воздуха в осесимметричном диффузоре с проницаемой стенкой. ИФЖ, т. XIX, & 2, 1970, - с. I5I-I60.

52. Романенко П.Н. Теплообмен и трение при градиентном течении жидкостей. М.: Энергия, 1971. - 568 с.

53. Романенко П.Н., Калмыков В. Г. Экспериментальное исследование несжимаемого изотермического турбулентного пограничного слоя с положительным градиентом давления. Труды МИТИ, вып. 32, 1970.

54. Романенко П.Н. Гидродинамика и тепломассообмен в пограничном слое. М.: Энергия, 1974. - 464 с.

55. Саноян В.Г. Движение жидкости в осесимметричном канале заданного профиля и расчет действительных давлений. Труды ЛПИ, М.-Л., 1955, № 176, - с. I48-161.

56. Себан Р. Теплоотдача в турбулентном сорванном потоке воздуха за уступом к поверхности пластины. Труды американского общества инженеров-механиков. Серия С "Теплопередача", № 2, 1964. - с. 16-19.

57. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. - 388 с.

58. Тананаев А.В. Течения в каналах М1Д-устройств. М.: Атом-издат, 1979. - 368 с.

59. Тетервин Н. Приближенный расчет аналогии Рейнольдса для турбулентного пограничного слоя с градиентом давления. Ракетная техника и космонавтика, т. 7, № 6, 1969. - с. I07-II6.

60. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969.763 с.

61. Чжен П. Отрывные течения. М.: Мир, т. I, 3, 1973.-273 с.

62. Яковлев К.П. Математическая обработка результатов измерении. М.: Физматгиз, 1956, - 342 с.

63. Nikuradse J. Untersuchungen uber die Stromungen in kon-vergenten und divergenten Kanalen. -VDI-Forschungsarbeiten, 1929» H.289.

64. Reneau L.R., Jonston J.P., Kline S.J. Trans. ASME, 1967, 89D, 141.

65. Smith C., Kline S.J. Trans.ASME, 1974, 961.

66. Sibulkin M«, Heat transfer to an incompressible turbulent boundary layer and estimation of heat transfer coefficients at supersonic nozzle throats, JAS, 1956, v.23, p.162-172.

67. Richardson P.D. Estimation of the Heat Transfer from the Rear of an Immersed Body to the Region of Separated Flow, ARL62423, Brown University. Jan.1960.

68. Chung P.M., Viegas J.R. Heat Transfer at the Shock Tube; GAL CIT Hypersonic Research Project Memo.41, 1957.71• Tults H. Flow Expansion and Pressure Recovery in Fluids., Proc.Am.Soc.Civil.Engrs, 80, E 507 (dec.1954), pp. 1-26.

69. Vansant, Jr. Convection Heat. Transfer in Separated Regions Subsonie Diffusers.Convallis, Ore., 1964.73» Ludvieg H., Tillman W. Untersuchungen uber die Wandschub-spannung in turbulenten Reibungsschichten, Jng.Arch., 1949, H.17, S.288-299*1. АКТ

70. Настоящий акт составлен „ 40 " декабря19д2г. представителем научного сектора Брянского института транспортного машиностроения1. БУГЛАЕВШ В. Т.и представителем ОПКБ "Ко1. ЛЛШШЖО Ю.Л.в том, что хоздоговорная работа № ^^от п" января

71. B2 г. "Исследование высокоэффективной системы охлаждения рабочегонаименование темытела ГТУ""( Часть I. Конвективный теплообмен)закончена и принята заказчиком в (использована) в ОПКБ "Корутт."январемесяце 1963\ внедрена

72. Работа использована при проектировании (изготовлении) объекта (объектов) вспомогательного оборудования энергетических установок

73. В итоге внедрения работы достигнуты следующие основные результатыпутем снижения работы сжатия компрессора увеличен ЩЦ энергоустановки

74. Годовой экономический эффект от внедрения работы в тыс. рублях26 ТЫС. рублей , , чв расчете на одну установку (объект)