автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.01, диссертация на тему:Течение и теплообмен в каналах матричного электрогидродинамического теплообмена системы обеспечения температурного режима летательного аппарата

На правах рукописи МЫЗНИКОВ Михаил Олегович

ТЕЧЕНИЕ И ТЕПЛООБМЕН В КАНАЛАХ МАТРИЧНОГО ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ТЕПЛООБМЕННИКА СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМ А ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Специальность 05.^7.01 Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратоп

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учено» степени кандидата технических наук

Омск-! 997

£

.О'

-

Работ иыиолненл па кафедре ^Гидромеханика и теплоэнергетика» в Омском государсшешюмтехническом университете.

Н а у ч 11 ы Г: р у ко и о дн; е. 1 ь

кандидат технических наук, доцент Ненашев Анатолий Степанович

Официальные оппонеппл:

доктор технических наук Маши Юрий Иванович;

кандидат технических наук, доцент Шалап Виктор Владимирович

В 1у щ л ¡1 о р га а I и а ни я

Аэрокосмическое объединение «Полет» 644021, Омск, Б. Хмельницкого, 226

на заседании диссертационного сонета К 063.23.04 и Омском государствен ном техническом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 644050, т. Омск, пр. Мира, ! 1, ОмГТУ, Ученому секретарю диссертационного сонета К 063.23.04.

Тел. 65-64-92.

Автореферат разослан « ог ,» . ^ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

'¿¿У.^к.т.к„ доцент 'гулов Алексей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Д'£Ш;!- Способы интенсификации н'илообмена в разнообразных технологических и фтнко-химнческих процессах и управление процессами путем непосредственного поздемстния на рабочую среду электрическими полями в последнее время привлекают псе большее пин,манне исследователей. Ого связано прежде ¡¡сего с нуждами науки о теплообмене, а также с приложениями в авиационно-космической, криогенной п холодильной технике, нефт.чпон и химической промышленности, энергетике и биотехнологии. Специфика взаимодействия жидкоеreii с электрическим полем определяется возможносп.:о и\ конвективного ДШ1ЖСШ1Н, вызванного пондеромоторнымн силами электрической природы, Б первую очередь здесь подразумеваются электрогидродинамн-ческне (ЭГД) процессы, в которых действие магнитных нолей пренебрежимо мало, i.e. процессы, происходящие « непроводящих пли слабопроводяных немагнитных жидкостях при наличия внешних постоянных или медленно меняющиеся со временем электрических полей.

В литературе имеются немногочисленные экспериментальные данные, отмечающие влияние электрического поля на конвективный теплообмен и гидродинамику потока. При этом данные различных авторов юсят часто противоречивый характер. Слабая изученность эдектроконвективных явлений затрудняет не только практические приложения известных экспериментальных данных, но и постановку новых задач как "в экспериментальном, так и в теоретическом плане.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния электрического поля на течение жидкости и теплообмен в каналах сложной геометрии матричного электрогидродинамического теплообменника. Работа выполнялась в рамках проекта «Разработка теории эдектроконвективных течений диэлектрических жидкостей н создание ЭГД-устройств применительно к задачам невесомости и энергетики», включенного в межвузовскую научно-техническую программу «Поисковые и прикладные исследования высшей школы в приоритетных направлениях пауки и.техники», подраздел 4.3 «Фундаментальные исследоиа-ния в области прикладной физики и математики», «ФИЗМАТ», финансиру емого из республиканского бюджета па период 1993-99 гг. Головная Организация - Московский физико-технический институт,

Целью диссертации являются: выявление общих закономерностей ЭГД Процессов, механизмов, вызывающих изменение гидродинамической карлшы . И интенсивности теплообмена при воздействии электрического поля в каналах; построение математической модели, адекватной рассматриваемому явлению: определение особенностей проектирования, путей г) перспектив дальнейшего совершенствования ЭГД теплообменных устройств.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи применялся комплексный подход, включающий теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе математического моделирования процессов а - ячейке матричного ЭГД

j

теплообменника. За основу был выбран численный интегроинтерполяционный метод, позволивший получать устойчиво сходящиеся решения системы дифференциальных уравнений эллиптического типа с граничными условиями первого п второго рода в широком диапазоне изменения входных параметров задач!!. Правилиюси. численного метода проверялась на ряде тестовых задач гидродинамики и теплообмена, имеющих точные или экспериментальные решения. Экспериментальные исследования проводились на физической модели матричного диухпоточиого ЭГД теплообменника на специально созданном для испытания ЭГД теплообменник аппаратов стенде. Чтобы исключить возможное влияние па показания приборов электрического поля, каждое из измеряемых значений: расходов, температур, давлений, токов, напряжении измерялось не менее чем двумя различными способами. Результаты численных л экспериментальных исследовании сопоставлялись, определялись качественные н количественные различая, совершенствовалось определение граничных услоыш с целыо максимального приближения математической модели 1С реальному объекту изучения.

Научная новизна и основные результаты. На основе общей математической модели течения и -. ;плообмен;< вязкой слабопроводятей жидкоеIи в электрическом поле посфосна двумерная осееиммегричиая модель течения и теплообмена в каналах матричного ЭГД теплообменника. Модельная среда представляет собой жидкость-носитель с нрммесыо заряженных частиц: электронов, подо"жи1е.п>пых а отрицательных ионов. В объеме жидкости учтены процессы диссоциации п рекомбинации, на электродах - процессы поверхностной ионизации и аигоэлектронной эмиссии.

Разработан алгоритм исследования математической модели поставленной задачи. Создана и отлажена программа на языке !;опгаа-90, реализующая этот алгоритм.

Численный эксперимент дал новые результаты по гидродинамике и теплообмену в каналах матричного теплообменника при воздействии электрического поля. Обнаружены две области влияния электрического поля на течение и теплообмен. Первая область характеризуется тем, что в ней электрическое поле практически и? влияет на интенсивность теплообмена в канале и гидродинамические характеристики потока. Вторая - область сильного влияния электрического поля. В этой области, с повышением напряженности ноля, среднее число Нуссельта при малых числах Рейнольдса (К.е=10) может возрастать в десятки раз. С увеличением Яе влияние электрического поля ослабевает. Так, в диапазоне Ке =125-1000 число N0 возрастает всего в 2-4 раза. Разность давлений между входным и выходным сечениями канала теплообменника с увеличением разности потенциалов на электродах уменьшается и при некотором значении напряжения, зависящем от Ке, становится равной нулю. С дальнейшим увеличением разности потенциалов разность давлений принимает отрицательнее значение и. канал работае - в насосном режиме.

Создана оригинальная экспериментальная модель матричного двухпоточ-иого ЭГД тенлообыенного аппарата. На специально изготовленном стенде для испытания ЭГД теплообменников выполнены физические исследования этой

4

модели. Сравнение результатов натурного и численного эксперимента подтвердило возможность использования представленной математической модели для описания электроконвективных процессов в каналах и для прогнозирования интегральных характеристик (расходно-напорной, вольт-амперной, интенсивности теплообмена) матричного ЭГД теплообменника.

Практическая ценность. Численный и патурньн] эксперты ¡ты позволили выяснить механизм влияния электрического поля на конвективный теплообмен, процессы токопрохождення, изменение гидродинамических характеристик потока при течении слабопроподящен жидкости з каналах матричного теплообменника. Возможность интенсификации теплообмена в несколько раз н изменения гидравлических характеристик канала в диапазоне чисел Рсйнольд-са, важном дня приложений, определили новые пути совершенствования ЭГД теплообменноп аппаратуры. Так, изменением потенциалов на электродах можно в широких пределах изменять тепловые характеристики теплообменника. Насосный эффект, развиваемый в каналах матричного теплообменника под действием электрического поля, открывает возможность в системах обеспечения температурного режима значительно снизить мощность циркуляционных насосов, а в отдельных случаях и отказаться от них. В таких системах, без циркуляционных насосов, отсутствуют механические движущие чзсти. Системы герметичны, бесшумны, легко регулируются.

Разработанный алгоритм и программа позволяют при численном исследовании изменять геометрические размеры канала и электродов, рабочую жидкость-теплоноситель, материалы электродов, шаг сетки, граничные условия.

Получены критериальные уравнения для инженерных расчетов матричных ЭГД теплообменников рассмотренного типа.

Результаты исследования использовались при создании теплообиенных устройств, применяемых в электрофоретических установках в космической биотехнологии.

Полученные методики численного исследования и критериальные уравнения могут быть рекомендованы к использованию в КБ и на предприятиях, занимающихся разработкой систем термостатнрования.

Результаты работы использовались в учебном процессе в курсах «Теплопередача» и «Тепломассообяеп».

Апробация работы. Основные результаты работы докладыралнеь на Всесоюзной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии» (Иваново, 1989); Всесоюзной научно-техническом семинаре «Повышение эффе'клншосш тягодутьевого оборудования для энергетики н машиностроения» (Красноярск, 1991); Втором Всесоюзном семинаре-совещании по электродинамике и электрофизике жидких диэлектриков (Петродворец, 1991); Третьей международной конференции «Современные проблемы электродинамики и электрофизики жидких диэлектриков» (Пстр'одворец, 1994); на XXX научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных рабоишкоп, аспирантов «Ресурсосберегающие технологии» (Омае, 1994); Первой Российской- национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994); Десятой Мсжлународ-

5

ной научно-технической конференции но компрессорной технике (Казань, ¡994); ¡Международной научно-технической конференции «Динамика систем, мпшш' и мехин:пмои» (Омск, !995); Международной конференции по теплообмену (Минск-, 1W6); Четвертой международной конференции «Современные проблемы -эдекфидшишнки н электрофизики жидких диэлектриков» (Петроднорец, 19%); Международной конференции «Предмет, обьекты и проблемы энергетики иекюршПо взаимодействия потоков с распределенными па-ра'ме1рам1'.» (Бзлаково, 1997).

ilyoAUivi'UiiU По тс.чашке диссертации опубликовано 13 работ, получено авюрское спиде! ельство.

Cips'Knpa ¡шшгр.шшщ: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключении. Обьеи диссертации: 150 страниц, включая 53 рисунка и библиографию на 84 наименовании.

СОДЕРЖА! [ИЕ PALOTL1 Венеде ни u обосношнщ актуальность )с.мы диссертации, сформулированы цел!, н основные задачи работы, указами методы исследования, изложены научная новшна и практики. ;кал цениопь результаюи работы.

Первая глава содержи! обзор литературы но теплообмену н гидродинамике с.шбонроводятих жидкостей в электрическом поле и конструкциям элекIрогидродшшшческач тешмобмеиных аппарата. Анализ литературных источников позволил заключиib следующее. Существует значительное число экепернменшльних данных и ангорских свидетельств, показывающих, что феномен интенсификации конвективного теплообмена ЭГД воздействием может быть использован в нршанке. Несмотря на большое количеепш работ, до сих пор нет четкого физического проставления о механизме теплообмена в электрическом поло. Количественные и качественные выводы, получаемые различными arsгорами, иногда резко расходятся. Трудности математического описания взаимодействия электрических, гидродинамически);, и температурных нолей заметно сдерживают теоретическое изучение проблемы теплообмена а электрическом поле. Во всех исследованиях теплообмена в электрическом ноле внимание авторов, как правило, направлено только на интенсификацию теплообмена. В диссертации показ, ло, что специально ориентированное поле, создает в каналах давление, которое может не только компенсировать гидравлическое сопротивление теплообменника, но н позволяет получить дополнительный насосный эффект. Большинство предложенных конструкций н .методов интенсификации теплообмена плохо приемлемы для создания реального теплообменника, ограниченного по массе и габаритам и в то же время способного передавать большие мотцностн.

Для успешного развития управления п внедрения ЭГД устройств требуется: разработка физико-математических моделей взаимодействия электрических, гидродинамических и температурных полей; обработка и обобщение экспери- ■ ментальных данных; определение технических возможностей практического применения полученных результатов; разрабо тка методики инженерных расчетов теплопередачи, гидравлического сопротивления, электрических характери-

стик ЭГД тсплообмеппмх аппаратов с относигельно большими тепловыми потоками и Использованием направленного движения тсплоносшеля.

Во второй главе дается физико-математическое описание течения и теплообмена елабопроводящеи жидкости » электрическом ноле. Слабопроводящая жидкость рассматривается как сплошная среда. Установившиеся провесы течения, теплообмена и токопрохождешш описываются смстсмой уравнений

(у ■ V у7 =

V V = О ;

лЧ-Ё , V • д V —— + -—; р р (1) V ■ V Т = а ■ А Г . «Е1 . С'рР (2)

(3) уЁ=-2—\ ЕЕ0 (4) -п--пе)\ : (б)

(7) (8)

(9) Г- =и_ V -Ь-П-Ё (10)

(11) Ге = пеУ - ЬепеЁ -ОеУпе, (12)

где V ■ скорость; ¿-напряженность; <р - потенциал; Г-температура; р - давление; ц - объемный заряд; Г - плотность потока частиц; О, <7 - источники рождения и гибели частиц; я-объемная плотность частиц; р - плотность; V - коэффициент кинематической вязкости, ср - коэффициент теплоемкости, а - коэффициент температуропроводности, Ь - коэффициент поли лжи ост и частиц, О - коэффициент диффузии; е - диэлектрическая проницаемость; с0 -электрическая постоянная; е - заряд элементарный. Нижние индексы означают: + - для положительных ионов, _ - для отрицательных ионов, е - для электронов.

На поверхностях электродов рождение, заряженных частиц учитывается в процессах поверхностной ионизации, автозлектронной эмиссии.

Третья глава посиящена численному Моделированию течения и теплообмена в канале сложной формы матричного ЭГД теплообменники при воздействии электрического поля.

Теплообменник матричного типа отличает низкая осевая теплопроводность, высокая степень развитая тепло-обменных поверхностей, относительно высокое гидравлическое сопротивление, возможность разборки » изменения геометрических характеристик. В таком теплообменнике достаточно просто создать электрическое поле. На рис.1 показана схема теплообменника для двух потоков теплоносителей. Перфорированные теплообменные пластины 1 заземлены. На перфорированные пластины 2 подастся электрический потенциал. Диэлектрические прокладки 3, являясь электрическими изоляторами, одноврс-

7

Рис.

менно служат для разделения потоков теплоносителей и снижения осевой теплопроводности аппарата. Труб чаши электрод 4 предназначен для создания неравномерного электрического поля. В канал 5 поступает теплоотдающая слабопроводяшая жидкость. Канал 6, выполненный по протнвоточной схеме, предназначен для прохода нагреваемой слабопроводящен жидкости.

Теплообменпын аппарат можно рассматривать как совокупность однотипных элемент« - ячеек. Каждый элемент (рмс.2) представляет оеесикмегрпч-нын канал, состоящий из двух полостей, ограни- ! 3 4 2 5 1

чсиныП днэлскчричсскимн прокладками 3 и метал- /~Т

лическимн пластинами: катодами - 1 « анодом -1, ~Р\ /

материал которых имеет работу выхода <ри. Слабо- '■■•'•■ —"

проводящая жидкость, имеющая коэффициент .......5а-Ст

диффузии /Эи, начальную проводимое и, он, сродст- ___ <__ ___

во к элскфопу л, потенциал ионизации ¡',, подастся Г | | Г I в канал через цилиндрическую фубк)-электрод 4 ' - ' " • ' » >~ ' диаметром (/„с заданным массовым расходом С„, и

температурой Т„. К пластинам 1 и впрессованным ^ _ , ,

в них трубчатым олектродгм 4 приложен отрица- Рис 2

тельный электрический ноплщиал <,к. Пластина 2 с

трубчатым электродом 5 заземлена. На поверхности пластин I и 2 поддерживается температура 7], а поверхности прокладок 3 адиабатические.

В жидкостн протекают объемные реакции диссоциации центральных молекул на положительные и отрищиельиые ноны, реакции пон-иоинон и электрон-ионной рекомбинации. В силу нзбиршсльности элекфнчсскот ноля с катодов и жидкость поступают отрицательные ионы, за счет офнцательной поверхностной ионизации, и электроны, вследствие автоэлекфоннои эмиссии, с анода - положительные ионы, вследствие положительной поверхностной ионизации. Считается, что кинетические и транспортные свойства всех сортов положительных н отрнщиедьиых ионов близки по величине и можно ввести их объемные эффективные плоэностп tu, эффекшвные коэффициент подвижности и диффузии /»+, D., эффективную скорость объемной ионизации о, эффективные соэффициенты ооьемнон ион-ионной р„ и электрон-ноппои peí рекомбинации. Предполагаете!:, что /;+, b , Du /)_, f*„, w не зависят от напряженности электрического поля £ н температуры Т, силы поляризации и гравитации отсутствуют, диссипация энергии в потоке пренебрежимо мала, температуры электронов, положительных и отрицательных ионов одинаковы и равны температуре жидкости носителя. Полагая, что начальная проводимость слабопроводящей жидкости ионная и что коэффициенты положительных и отрицательных ионов мало отличаются от коэффициентов нейтральной жидкости, можно записать, используя соотношения Эйнштейна и Ланжсена:

l Ое. а„ „ 2/>»<? „ 2

¿>+= íJ/v = —«>=Pw»0.

А ES о

где Ьо, ло - эффективные подвижность и концентрация ионов, отвечающие о0.

С учетом принятых допущений система безразмерных уравнении в осеснмметричнон цилиндрической системе координат в переменных функция тока Ч' - завихренность С2, описывающая стационарные процессы течения жидкости, распределение температуры, давления, потенциала, концентраций заряженных частиц в ячейке при воздействии электрического поля, будет иметь вид

дх эх) да V/? гя)

в

дХ

о

ш

! д

—[о —1 - —(е —)

ЭХ \ дН) дп\ 5X)

1

Рг

с

дХ

зе ах

Чай ех эх вя)

(яЩ'

ч бЯ!

д/{

у^ ах) дкУ ею

8

дХ

д

ах

дХ

дУ

ъ гх

ЭГ)

э

зя

! дкУ

»Л.гг-п.».*

П.

_5_

дх др

лВв к

кёи 3 ах

\ дХ) сРЛ дИ)

<) эл Лах в ни)

эя) _

дГ"

Чел

8Х ) д/*К дЛ )\ " * >

и

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

ех

дгр ?гр 6Х2 + дН2

д

дХ I

= П<

дГ 3£> дГ 6(2

N.

.. _ З2/ Ь1Р

4--— + О -г-+ -:

дх ах д.ч он [зхг гя-

х\ дх) глV он) О] • гп

■ (19)

л1

дгЧ> дЧ' ( д2Ч' ач> дхг дяг '{дХдя дя

Безразмерный объемный заряд Функция тока 1И определена из Завихренность введена как

3 ( Э2Ч' &¥

'я3[ехоЛдх~дР'д/г] к4Ъл' 2= у + ,у, - /V,.

I ¿)Ч'

//.1

Г" ИдЯ'

н ех

ЯКАХ 01!

(20)

(21) (22) (23)

Среднее число Нуссельта

N11 = Рг-

2к

_0_ __ .

(24)

где 0 = = 4я[к| - Л,2 + (А*5 - + (Х2 -

Скалярная величина безразмерной плотности электрического тока

V, (25)

где оссвая и радиальная составляющие плотности тока

Л " •■'Л - Т Х<- ~ . '> -Лг ~ ">" ¿не ~ ¡и >

л = .\- Ш' .

V к д!(

/

с.\7 п г.г

чл га ' ох у и,, ох

I с л\ .

а к н дх) п_ гя

J,<

/

1 ' 1 зл л ех) п. ок

- л', л ,7Л —-1 - ; з,; = Л' 1 -

аг; II аг /1т 1

I ¿х-

1 сч- п ,, гг

сГ

(26)

К с1< <;Л П_ о.\

А К

1 1 1 1 ■ ¿-1

Ех1' Р Ч* У = 0, — = О, 1— = 0; дХ ¿)К

А-, .V; Г, ^ Ж, Л>. Л'й Л; А'

Рис. 3

На твердых поверхностях

на металлических поверхностях 0 = 1;

ид поверхностях катодов Л' N =Л£ > -—1- - ~п

'(V.«)"

на поверхностях анода г = 0,

о гч' го го .

на оси потока ч>=—, —=о. --=о —=о —=о, 2х ен ' зя ■ дя :

1

КдХ ?>Я) Ц~"йХ '

! _ дЛ Л ^

П, ~пХ + П ~ оХ Средняя бе ¡р;п мерная плотность тока в ячейке определялась как

Лз »

где J\■, н - осевые составляющие плотности тока н соответствующих сечениях левой и правой полостей ячейки (рнс.З).

Грдннчиие условии о ячейке

(28)

(29) ;<30)

Л'_ = 0. Л', , = 0;

5Л'. „ сЯ -= 0, — дК Ж л е1' = 0' гя

алг,,

' 5Н ~ 1л =

(31) »о, (32)

(33)

на диэлектрических пр кладках -— = 0, -¿— = 0, = 0, -¿-г- = О, = о.

оН с.

Безразмерная концентрация отрицательных ионов ¡¡а поверхностях катодов и положительных попои на аноде находилась из выражений

«- . „ ,р

1+а_

N = ■

1.66-КГ27Л/ п0

(34)

ю

г

I

гг

формул«

о. -Г-Н, .. ' • (35)

Безразмерная гыопюс истока автоэлсктрсмной эмиссии раеспп ывплась по

Т

/„ = П>

с)/-'

7О'

где

^ I

с(.\',Н )| $т{;и) ''<••) . «V»

•ечр

Г1,

"(О

с}'

(36)

> = П4

г{Л'.л/

-йУСо - й739с-; ;>(4) = о('-) - .

3

Воичодпом и ьичодном сечениях ячейки для подносило рашшого потока 'распределения соотаеитнуощич переменных: Ч\ /•', V., Л'., /\'е и нч градиентов, а также распределении градненкш I' принимались одинаковыми. Но входной ссчеиин ¡адавалось распределение безразмерной [емперн(урм (0 = 0), давление и расход -кндкоеш. В ныходном сечении принималось = о • (37)

дХ

Давления на радиальных и цилиндрических поверхностях определялись соошешвенно из уравнении

П; £

01'

д.х ' ~

В уравнениях (13)-(38) обозначены:

61' I зг ?г

-= -Г- + — • — + и, о —

с"Л к дЯ дН

(38)

Л'е

Л' 3

Ял '

к :

Л'

1'н

ш1

V

Т€-Г0'

Л'.. Е -

>к>

>ь

р„ М? . в

2 ' * ~ К

Н'

"-■г5 г:

ру л

• П п - епЛ ■ П

V V V

П.*-—; П = П,= — ' />. О ^ Д.

р1

л„ =

<0^1?

Л я =

а

4

Иез

Ыи за

Г-. К . гпУ

а-

V,

Ы,

П

а-г, " Агт;' а у;

ЗЛф,., ' ' ч>0\ 4718^0

, * МЫ .; П

ело'

Вя/гср,,«,,^., V

П2е-

П,

4яАГс<?ау2/»,<?0

М<Р*|

где А- - пстоянная Больцмана, Л - постоянная Планка, яг,. - масса электрона.

5

Система уравнений (13)-(20) с граничными условиями (28)-(38) решалась численно методом контрольного объема. В расчетах использовалась неравномерная сетка !08x46. Значения завихренности в основном поле расчетной сетки определялись по уравнению (14) с грапичиыыи условиями, вычисляемыми из уравнения (13) по скорректированным па условия прилипания значениям функции тока в узлах расчетной сетки, отстоящих на один шаг от твердых поверхностен.

В качестве теплоносителя был выбран керосин Т-2 со следующими свойствами: плотность р = 800 кг/м3; вязкость v = 1,6-10"6 mVc; диэлектрическая проницаемость с - 2; начальная удельная проводимость с?о = 1,0-10'" См/м; начальная эффективная подвижность ионов 6о= 3,48 10'9 м2/(В-с). Принято, что относительная масса молекулы М = 150; сродство к электрону л = 1,06 эЪ; потенциал ионизации п,- i 1,47эВ; работа выхода электронов <р0- 4,3 эВ.

В результате численного эксперимента получены следующие результаты.

При малых напряжениях влияние электрического поля на гидродинамику потока и теплообиеиные процессы пренебрежимо мало. Среднее число Пуссельта и перепад давления между входным и выходным сечениями канала определяются числом Рейнольдса. Характерная картина течения представлена на рис.4а. Основное движение жидкости происходит вдоль оси поток«, отмечается слабое вращение в одну сторону в боковых полостях. Наблюдается малая интенсивность поверхностных процессов ионизации. Доминируют объемные процессы. Объемная плотность отрицательных ионов (рис.5а) и положительных попов (рис.56) уменьшается н у кромок электродов формируется гетероза-ряд (рис.ба), несколько препятствующий т ечению. Вольт амперная характеристика имеет ниспадающую ветвь (рис.7).'При увеличении напряжения интенсивность поверхностных процессов ионизации резко возрастает.. Это вызывает значительный рост объемной плотности отрицательных ионов (рис.За). Концентрация положительных ионов снижается (рис.5б) вследствие более активной ион-ионной рекомбинации. При этом у катодов'формируется гомозаряд (рис.66), возникают дополнительные элекгроконвекттшные течения (рис.46 н в). Конвективный перенос заряда становится преобладающим и вольт-амперная характеристика (рис.7) имеет крутую восходящую ветвь. При взаимодействии электрококвективных течений с основным Течением происходит уменьшение термического сопротивления пограничного слоя, что приводит к интенсификации конвективного теплообмена.

Величина интенсификации зависит от числа Re. Как следует из рис, 95, при малых числах Re конвективное число Nu может возрастать в 8-10 раз. При увеличении числа Re влияние эл/ктрпческого поля на интенсивность теплообмена уменьшается. Так, при Re = 1000 число Nu возрастает всего в 1,7-2 раза. Разность давлении между входным н выходным сечениями канала с повышением значения потенциала (рисЛО) уменьшается и при некотором значении, определяемом числом Re, становится равной нулю. При дальнейшем повышении напряжения канал, Преодолевая собственное гидравлическое сопротивление, создает полезный напор.

Рис. 4. Распределение функции тока в канале при Яе=100

а)

1д N. 3 2 1 О -1 -2

(

1

7

V 1 ----4 л —

-1 -2

--Г?о=1000

•••• рге=10п

-5 -6 -7

V

ч-

к

\

\

\

V

к 1д 3 4 5 Б

Рис. 5. Максимальная безразмерная объемная плотность а) отрицательных и б) положительных ионов

/я э 7

/

/ г

/

/

\

3 ,10"'

-рге=1000 .

- Яе=100

-

1 ! (

и /у п /у

/1 1/

3 4зе "о 1 я>-ю"е

Рис, 7. Средняя безразмерная плотность тока ячейки

В рабочей области напряжений ЭГД теплообменника вклад электронов в суммарный ток пренебрежимо мал, а изменение концентрации зарядов не оказывает существенного влияние на характер распределения потенциала электрического поля. Основным носителем заряда при высоких напряжениях являются отрицательные попы. Механизм переноса заряда преимущественно конвективный. Конфигурация канала, размеры, расположение я полярность электродов существенно влияют на развитие электрогидродинамических ч теплообменных процессов.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования гидродинамики и теплообмена в электрическом поле матричного теплообменника и сопоставлены результаты численного и натурного моделирования. Для исследования ЭГД теплообменных аппаратов был специально сконструирован и построен испытательный стенд. Стенд включает гидравлическую систему, обеспечивающую широкий диапазон расходов двух различных теплоносителей, систему термостатированйя и подогрева для обеспечения заданных тепловых режимов, систему высоковольтного питания, позволяющую управлять электрическими полями, контрольно-измерительную систему.

Экспериментальная модель (рис.8) представляет собой матричный теплообменник с концентричным расположением каналов. Матрица теплообменника составлена из теплопередающих элементов и дистанционных прокладок и образует двухканальную структуру с развитой поверхностью теплообмена для прохода теплоносителей в противоположных направлениях. Тепяопередающий элемент - латунная пластина толщиной /, = 2 мы, имеющая для прохода греющей и нагреваемой жидкостей соответственно = 7 и £а~ Ъ круглых отверстий диаметром с!/ ~ = 3,5 мм. Дистанционные прокладки выполнены из оргстекла. В отверстия впрсссопа-

14

Рис. Е

ны тонкостенные трубки пз нержавеющей сгалн д..иной /„ - 2,5 мм и внутренним диаметром я(/~ 3,2 мм. Изменение межэ.чекфодного расстояния осуществляется применением прокладок различной толщины.

В качестве теплоносителя в установке применялся керосин Т-2. Интервал рабочих темпера1ур составлял ¿0-90 °С. Массовые расходы задавались в пределах 5-20 г/с, тепноная нагрузка па теплообменник 200-400 Вт, давление в каналах теплообменника 0,1-2 МПа, напряжение высоковольтного источника питании постоянного тока 0-30 кВ.

Измерялся перепад напора ДН в коллекторах между входом и выходом каналов. Снимались значения 1смперагур нагреваемого теплоносителя во входном // и выходном I] коллекторах теплообменника термомсфамн сопротивления, значения температур внутри стенок заземленных пластин /с,...!с„ медь-консташановымн термопарами. Мпкроамперметром измерялась сила электрическою тока через теплообменник ¡¡.

По полученным данным вычислялись следующие величины.

4(7

Число Реннольдса Не--. (39)

Безразмерный потенциал на ка годах Рк = [т'к|. (40)

Передаваемая тепловая мощность ()/■ = ¿'¿'„¡(¡г (41)

-1+1 1 4

Средняя температура жидкости 1ЗК = ~исгенок Гс = , (42)

2 "1=1 '

171.1: п - число термопар в стенках.

(й1 -¿I . , , , ,1

Поверхность теплообмена 1'с =

+ г/0 /+«/,/, , (43)

где т - число теплообмениых пластпн; с/ ■ диаметр ячейки;

<]о, г/| - внутренний и наружный диаметр трубчатого электрода; / - длина трубчатого электрода; /1 - длина выступающей части трубчатого электрода.

Среднее число Нуссельта Ми = где а = . (44)

Безразмерный перепад давления Д/' = —где Др = . (45)

Средняя безразмерная плотность тока У где ] =---- (46)

Экспериментальные зависимости среднего числа Нуссельта и разности давлений АР между вводным и выходным сечениями канала от безразмерного потенциала Г,, на катодах для различных значений ГС.е показаны на рис.9а и 10.

N4

30

20

а о

(О

а—¡3

I

■о

"О"

о

С $

О-

г

/ /ч

о-Яе=«00 --,а-11е=1000 J_1_л_

4 б)

Рк-Ю"3

АР-16'

Рис. 9. Экспериментальная и расчетная зависимости Ыи =/(Ка-, Ке)

На основе обработки результатов экспериментов и численного моделирования методами регрессионного анализа предложены критериальные зависимости для инженерных расчетов матричных ЭГД теплообменников:

N¡¡"=N70 + =1,2бКе°'+ + 2,7-10-16Ке_0'3Гк3; (47)

АР*АР0-М\ = 1.4 -К^Ле1,5 -4,7 •Ю~9Кс-0'16.Г,с2'6; (48)

7 = «/Х9+ 5,4 • ((Г^е0'01/;.). (49)

Зависимости позволяют в диапазоне Йе = 100-1 ООО,

__ Рх = 0-№ определить

№», ДР0, ДРЕ И /С точностью соответственно до 12, 16, 35 и (0%. Кружки, квадраты п треугольники (рис. 9 и 10) соответствуют опыгаьш значениям и значениям, подученным в результате численного моделирования. Сплошные, пунктирные, штриховые и штрих-пунктирные линии рассчи-1? "У • ю'"* таиы по соответствующий |£ критериальным уравнениям Рис.10. Зависимость АР=/(Ке,Рк) (47), (48).

и

Основные результаты диссертации

1. Исходя из общей математической модели электрогидродинамическнх течений вязкой слабопроводящей жидкости построена модель течения и теплообмена в электрическом поле в каналах матричного ЭГД теплообменника в осесимметричной цилиндрической системе координат. В основу модельной среды положена нейтральная жидкость с примесыо заряженных частиц: электронов, положительных и отрицательных ионов. Учтены процессы поверхностной и объемной ионизации и рекомбинации, автоэлектроннон эмиссии. Определены краевые условия для решения задачи.

2. На основе шггегроннтерполяционного метода разработан алгоритм, написана и отлажена программа для численного исследования электрогидрс-дннамнчсскнх процессов в каналах матричного ЭГД теплообменника.

3. Численный эксперимент дал новые результаты по гидродинамике и теплообмену а канале сложной формы, позволил проследить структуру развития полей скоростей, функции тока, завихренности, температуры, концентраций заряженных частиц, объемного заряда, потенциала, напряженности, давления при изменении массового расхода в канале и напряжения на электродах. Построены интегральные зависимости для канала: среднего коэффициента теплоотдачи, разности давлений между входным и выходным сечениями, средней плотности электрического тока от массового расхода и разности потенциалов на электродах. Отмечена приоритетная роль зарядообразования на поверхностях электродов.

4. Создана оригинальная экспериментальная модель матричного двух-поточного ЭГД теплообменного аппарата. На специально разработанном и изготовленном стенде для испытания ЭГД теплообменников выполнены физические исследования этой модели. Отмечено сходство тепловых, расходно-напорных и вольтампериых зависимостей, полученных расчетным и экспериментальным путем, что говорит о пригодности математической модели для прогнозирования поведения слабопроводящей жидкости в электрическом поле.

5. Численный и натурный эксперименты показали, что непосредственным, воздействием электрического поля на слабопроводящую жидкость можно в значительной мере качественно и количественно влиять на гидродинамическую картину течения, изменять гидравлические характеристики канала, получать чаеосный эффект, увеличивать интенсивность теплоотдачи в несколько раз.

6. Получены критериальные уравнения для определения коэффициентов теплоотдачи; перепала давления, силы тока, позволяющие проводить инженерные расчеты ЭГД теплообменников матричного типа.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДНСЕРТАЦИИ

1. A.c. 1285854 СССР. Теплообменник/Н.П.Авдеев, Г.И.Бумагам, В.И. Михайлов, М.О.Мызннков, А.С.Ненишев, А.А.Ннконов, В.С.Оочинников, A.B. Лучинин, В.А.Стародубцев//Открытия. Изобретения,-1986. - й 3S.

2. Ненишев A.C., Мызников М.О., Крылов A.A. Влияш.г электрического поля па коэффициент теплоотдачи и гидродинамику матричного теплообмен-ника/ЛГез.докл. Всесоюз.иауч.-техн. конф.«Сопрем. состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергосгроешшж-Иваново, 19S9.-C. 94-95.

17

3. Влияние электрическою поля на коэффициент теплоотдачи и сопротивление и каиалс/А.С.Нсншиев, М.О.Мызников, А.А.Глазырин, П.И.Задорожный //Матер. Псесоюз. науч.-техн. сем. «Повышение эффективности тяго-дутьевого оборудования для энергетики н машиностроения». - Красноярск, 1991. - С. 195-1%.

4. Непишсн A.C., Мызников М.О., Крылов A.A. Влияние электрического поля на коппекгпвиыИ теплообмен диэлекфпческих Жидкостен//Тез. докл. Второго Всссоюз. сем -совещ. «Электродинамика и электрофизика жидких диэлектриков». - Л., 1991. - С. 50-51.

5. Влияние режимов питания элекгрогндродинамического преобразования на эффективность его работы/ Ю.З.Ковалев, А.С.Ненншев, Р.Н.Хамитои, М.О.Мызников/Электронная обработка магер. - 1992. - № 6.- С. 39-44.

6. Неиишеи A.C., Мызников. М.О. Электрическая конвекция в'замкнутой прямоугольной полости//Тез. докл. 111 Междунар. конф. «Современные проблемы электродинамики и электрофизики жидких диэлектриков».- СПб., 1994, -С. 98-99.

7. Ненишев A.C., Мызников М.О. К оценке эффективности электрогидро-дпнамнческнх теплообменников/Лез. докл. XXX науч. конф. проф.-препод. состава, науч. работников, аспирантов «Ресурсосберегающие технологии». -Омск, I994.-KiU.-C.98.

8. Ненишев A.C., Мызников М.О. Электрическая конвекция в замкнутой прямоугольной полостн//Тез. докл. XXX науч. конф. проф.-препод. состава, науч. работников, аспирантов «Ресурсосберегающие технологии». - Омск, 1994. -Kh.I.-C. 112.

9. Ненишев A.C., Мызников М.О. Электрическая конвекция в замкнутой прямоугольной полости//Тр. I Российской национальн. конф. по теплообмену. -Т.2: Свободная конвекция,- М., 1994, -С. 151-157.

10. Ненншев A.C., Мызников М.О, Применениеэлектрогидродинаммческих теплообмеаных аппаратов в системе отвода тепла в компрессорам/Тез. докл. X Междунар. науч.-техн. конф. но компрессор, техн. - Казань, 1995. - С. 43-45.

11. Мызников М.О., Ненишев A.C. О взаимном.влиянии ячеек электр огид-родинамического теплообменника/Дез. докл. Междупар.науч.-тсхн. конф. "Динамика систем, механизмов и машин". -Омск, 1995. - Кн.1. -С. 88-89.

12. Ненишев A.C., Мызников М.О. Влияние сродства к элёктрону_на электрогидродинамические процессы в жидком диэлектрике//Докл. IV Междунар. конф. "Современные проблемы электрогидродинамнки и электрофизики жидких диэлектриков". - СПб., 1996. -С. 103-114.

13. Ненишев A.C., Мызников М.О. Влияние электрического поля на гравитационную конвекцию диэлектрической жидкости в горизонтальной прослойке//Вопросы теплоэнергетики и тошшвоиспользования. - Омск, 1996.» С. 55-58.

14. HemiuieB A.C., Мызников М.О. Течение слабопроводящсй жидкости в канале сложной формы при воздействии электрического поля//Докл. 1 Междунар. конф. "Предмет, объекты и проблемы энергетики секторного взаимодействия потоков с распределенными параметрами". - М., 1997. - С. 102-109.

18