автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Влияние организации течения на теплоотдачу газовых струй

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

^ #

~ На правах рукописи

ч

ТЮЛЫ1А Валентина Владимировна

ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ НА ТЕПЛООТДАЧУ ГАЗОВЫХ СТРУЙ

Специальность 05.14.05 - теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1998 г.

Работа выполнена в Уральском государственном техническом университете на кафедре «Теоретическая теплотехника».

Научный руководитель — доктор физико-математических наук,

профессор ЯсниковГ.П.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Жилкин Б.П.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Бродов Ю.М. - кандидат технических наук, доцент Мамаев В.В.

Ведущая организация - АО «УРАЛТЕХЭНЕРГО»

Защита диссертации состоится 15 января 1999 г. в 15 час. 00 мин. н; заседании диссертационного совета К.063.14.09 по присуждению учено! степени кандидата технических наук при Уральском государственно? техническом университете в ауд.Т-210 по адресу: г. Екатеринбур1 ул. С. Ковалевской, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре с подписью составится: заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 62000! Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, ученому секретарю совета университета.

Автореферат разослан Юдекабря 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К.063.14.09, кандидат технических наук,

доцент Сл^- л.К. Васанов;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и цель работы. В современных энергетических тановках и агрегатах требуется передача мощных тепловых потоков от газа к >верхности. Одним из эффективных способов организации теплообмена ¡жду газом и твердыми телами является применение импактных струй, шентированных по нормали к поверхности. Однако в ряде случаев и такой ювень теплоотдачи еще не достаточен, и проблема усиления теплопереноса ке в импактных струях остается актуальной.

Гидродинамике и теплообмену импактных струй посвящено большое 1сло журнальных статей и ряд монографий. Перспективным направлением тгенсификации теплообмена в импактных струях является воздействие на :чение таких внешних факторов, как форма поперечного сечения канала и эедварительнач закрутка потока. Однако сведения о влиянии этих факторов на ¡плообмен струи с преградой ограничены или носят оценочный характер.

Кроме того, при конструировании теплообменных устройств, лтользующих импактные струи, необходимы данные об энергетических пратах на тот ли иной способ интенсификации теплообмена.

Поэтому целью настоящей работы является экспериментальное сследование влияния организации течения в прямоточных каналах-соплах утем изменения формы их поперечного сечения и применения начальной 1крутки на теплообмен газовых струй с преградой, а также оценка иергоемкости этих способов интенсификации теплоотдачи.

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая теплотехника» Уральского эсударственного технического университета и является составной частью оординационного плана АН СССР по проблеме «Теплофизика и еплоэнергетика» № Г.Р. 01840005222 (Программа Минвуза «Человек и кружающая среда»).

Научная новизна. Получены новые экспериментальные данные по аспределению давления прямоточных газовых струй и струй с

предварительной закруткой на преграду, позволившие уточнить механизм интенсификации теплоотдачи в импактных струях. Проведены статистические исследования влияния организации течения в прямоточных и закрученных каналах на теплоотдачу газовых струй с преградой. Получены уравнения подобия, обобщающие эти данные по теплообмену.

С целью оптимизации геометрических и режимных параметров проведена оценка энергетической эффективности рассмотренных способов организации струйного течения.

Предложена математическая модель теплообмена потока газа, вызванного естественной конвекции в вертикальном плоском суживающемся канале.

Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные данные по теплоотдаче с преградой прямоточных разной формы и закрученных струй создают основы для разработки инженерных методик расчета аппаратов со струйным теплообменом, а также позволяют осуществить оптимальный выбор организации течения газовых струй с целью минимизации энергетических затрат. В общенаучном плане они представляют интерес для дополнительного развития теплообмена в импактных струях.

Результаты работы, в частности, теоретический анализ и натурные испытания канала, имеющего форму геометрического сопла, бьип использованы при разработке электрообогревателей в Уральском научно-инженерном центре «Водород».

Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования поля давления на преград] газовых струй, сформированных каналами, имеющими круглую, квадратную I треугольную формы поперечного сечения, а также струй с начально! закруткой, и развитые на основе этих данных физические представления < механизме интенсификации теплообмена струй с преградой;

- результаты экспериментального исследования теплообмена с преградой 1 их обобщения в виде критериальных уравнений теплоотдачи газовы: импактных струй для круглого, квадратного и треугольного поперечны сечений сопел, а также для струй, закрученных аксиальными завихрителями;

- данные по оценке энергетической эффективности рассмотренных юсобов увеличения теплообмена в импактных газовых струях;

- результаты теоретического и экспериментального исследований ¡плообмена потока со стенками профильного вертикального канала, ормиругощего свободноконвекгавную струю.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной 1боты были обсуждены на: 1-ой научно-технической конференции физико-;хннческого факультета УГТУ - УПИ (Екатеринбург, 1994 г.); 3-ем Минском еждународном форуме по тепломассообмену (Минск, 1996 г.); IX Российской 1учно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» >ыбинск,1996 г.); областной научно-технической конференции «Вклад ученых специалистов в развитие химико-лесного комплекса» (Екатеринбург, 1997 ); Всероссийской научно-практической конференции «Радиационная 53опасность Урала и Сибири» (Екатеринбург, 1997 г.); международной знференции «Безопасность, подготовка кадров и экологические проблемы 1Срной энергетики» (Екатеринбург, 1997 г.); юбилейной научно-технической знференции УГТУ «Подготовка кадров и экологические проблемы 1ергетики» (Екатеринбург, 1997 г.); международной выставке-семинаре Уралэкология-98» (Екатеринбург, 1998 г.); Второй Российской национальной знференции по теплообмену (Москва, 1998 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, таска цитированной литературы, включающего 132 наименования, в т.ч. 20 именований на иностранном языке, и приложения. Она содержит 150 границ, в том числе 110 страниц текста, 76 рисунков и 4 таблицы по тексту.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель ¡¡следования, показаны научная и практическая значимость решаемых роблем, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен аналитический обзор литературных источников, посвященных гидродинамике и теплообмену в одиночных импактных газовых струях с преградой.

В частности, рассматриваются известные картины течения в таких струях, обсуждаются закономерности изменения осредненных и пульсационных характеристик потока.

Разбираются физические и математические модели теплопереноса, зависимости локальных и средних коэффициентов теплообмена с преградой от геометрических и режимных параметров струйной системы.

Проанализированы работы, посвященные методам интенсификации теплоотдачи в газовых струях, натекающих на поверхность. Подробно разбирается роль закрутки потока.

Отмечается, что наиболее полно изучены импактные струи, вытекающие из осесимметричного сопла или плоской щели. Вместе с ним практически отсутствуют сведения о возможности управления теплообменом между струей и преградой путем изменения геометрической формы сопла, об энергетической эффективности различных способов интенсификации теплоотдачи в импактных струях.

Исходя из проведенного литературного обзора и учитывая цел! исследования, были сформулированы следующие задачи:

1. С целью уточнения механизма интенсификации теплообмен* изучить распределение давления, оказываемого на преграду газовыми струями истекающими из сопел разного поперечного сечения и осесимметричны? каналов с аксиальными завихрителями на выходе.

2. Изучить влияние на интенсивность теплоотдачи геометрическо! формы поперечного сечения струеобразующего канала, а также закрута потока с помощью аксиальных завихрителей.

3. Произвести оценку энергетической эффективности указанны: способов воздействия на организацию течения в импактных струях

4. Выполнить теоретический анализ теплообмена плоског суживающего вертикального канала и провести экспериментальны

¡следования влияния продольного профиля щелевого сопла на теплообмен армирующейся в нем свободноконвективной струи с его стенками.

Во второй главе приводятся описания методик исследований и опытной тановки. Даны оценки погрешностей результатов эксперимента. Общий вид спериментальной установки приведен на рис. 1.

Воздух от воздуходувки 1 через ротаметр 2 типа РМ-1УЗ (кл.2,5) поступал дутьевую камеру 3 большого объема. В верхнюю съемную крышку дутьевой меры устанавливались цилиндрические вставки 4 с прорезанными в них налами разной формы. Давление воздуха в дутьевой камере Рк определялось ) микроманометру 16. В ходе опытов величина Рк изменялась от 0 до 3000 Па.

Изменение расхода воздуха, проходящего через установку, уществлялось изменением числа оборотов воздуходувки.

Для исследования распределения поля давления по преграде применялся »воротный датчик в виде пластины из оргстекла 7 диаметром 150 мм, по диусу которой через каждые три миллиметра, были просверлены сквозные верстая. В них заподлицо вклеены стальные капилляры 13 с внутренним гаметром 0,5 мм. Центровка пластины относительно оси вставки :уществлялась с помощью специального приспособления.

Пластина крепилась к поворотной платформе 9, которая вращалась носительно неподвижной оси 11. Для определения угла поворота платформы ¡пользовалось угломерное устройство 10. Величина давления потока на >еграду измерялась с систематической погрешностью 10%.

Использовались каналы-сопла с формой поперечного сечения в виде круга, |адрата и равностороннего треуг ольника с эквивалентными диаметрами (1э, шными 4 и 10мм, и длиной соответственно - 35 и 85 мм.

При исследовании закрученных струй применялись три круглых канала с ссиальными завихрителями в виде плоских лопаток, установленных под •лами 15, 30 и 45°. Диаметр внутренней втулки у всех трех завихрителей шнялся 5 мм, а наружный - варьировался от 24,54 до 28,14 мм, чтобы во всех гучаях сЬ=Ю мм. Конструктивный параметр крутки пл был равен ¡ответственно: 0,241; 0,523; 0,916.

Рис.1. Экспериментальная установка: 1-воздуходувка, 2-ротаметр; 3 -дутьевая камера; 4 - вставка-канал, 5 - датчик; 6 - термопара, 7 - пластина-преграда; 8 - шпильки; 9- поворотная платформа; 10 - угломерное устройство; И - неподвижная ось; 12 - блок микроманометров; 13 - стальные капилляры;

14 - электронный вольтметр,

15 - термометр, 16 - микроманометр; 17 - лабораторный трансформатор

Исследование теплоотдачи прямоточных и закрученных слру: проводилось по методу теплового регулярного режима. Воздух, выходящий и дутьевой камеры 3 через испытуемое сопло 4, ударялся по нормали в преград 5, в качестве которой использовались медные пластины-датчики толщино 6=7,7 мм с диаметрами О, равными 35,50, 70,100 и 160 мм.

Предварительно нагретая пластина размещалась на фиксированны расстояниях.,от среза канала. Температурный диапазон датчика составлял 2! 65°С. Температура пластины-датчика 5 определялась с помощью хромел! алюмелевой термопары 6, горячий спай которой зачеканивался в центр пластины. Э.д.с. термопары измерялась комбинированным цифровым приборо 14 марки Щ4315.

Скорость истечения воздуха чу из каналов разной формы находилась пределах 2+90 м/с, для закрученных струй - \у=2+21м/с, относительнс

расстояние до преграды составляло: г - у,. =2+12,5 для прямоточных струй

/ аэ

г"=2+6 для закрученных струй.

При определении среднего коэффициента теплоотдачи, критер! Рейнольдса, числа Нуссельта и удельной энергетической эффективное

«стоматическая погрешность соответственно составляла: 9,8; 7,2; 10,1 и ),6 %. Для характеристики случайной погрешности экспериментальных шных была выбрана величина интервала До,9 с доверительной вероятностью 9.

В третьей главе обсуждаются закономерности распределения давления руи на преграду. Экспериментально установлено существование сложного зля давления при натекании на преграду как для прямоточных, так и для [крученных струй.

Обнаружено, что рельеф давления для прямоточных струй зависит от ормы струеобразующего канала, скорости истечения и расстояния до эеграды. На рис.2 изображено распределение разности давлений Р = Р - Р^п, где Рпш - минимальное давление в данном режиме.

На рис.3 приведено характерное распределение среднего (по углу) авления Р вдоль радиуса преграды г при г*=4.

Оказалось, что при небольших скоростях (кривые 2) распределение =€(г*) практически не зависит от формы сопла. С ростом скорости роль ормы поперечного сечения становится заметнее (кривые 1): для треугольных груй наибольшее давление наблюдается в окрестности критической точки *<1,2), а ближе к периферии (г*=4-г10) для струй, образованных квадратным аналом, различия в распределении давления Р начинают сглаживаться, а при 12 вид функции Р = ЯУ*) практически не зависит от формы сопла.

?, Па

10

Рис. 2. Рельеф разности давлений ДР = Р - Р„цП для квадратного сопла: сЬ=10мм; ъ*=2; «=21м/с

Ш1П

Рис.3. Изменение среднего давления Р по радиусу преграды г для каналов разной формы при скорости истечения: 1-\у=21м/с, 2-13 м/с, (¿3=1 Омм, г*=4| форма точки соответствуе!

конфигурации сопла)

25 г, мм H-►

*-r/d3

Для всех исследованных каналов, включая и сопло цилиндрической формы, кроме неравномерного распределения давления по радиусу преграды существует значительная неравномерность по углу. Об этом свидетельствуют графики зависимости среднеквадратичного отклонения давления ор от радиус; преграды (рис.4). На всех режимах наибольшей угловой неравномерностьк обладает «квадратная» струя. При удалении преграды от сопла различия 1 зависимости <зр={(т*) постепенно исчезают, а начиная с г*>\2 отсутствую вовсе.

,Па

Рис.4.Распределение среднеквадратичного отклонения давления ор по радиусу преграды г при скорости истеченш №=2¡м/с: с)э=10мм; г*-4; форма точю соответствует конфигурации сопла

0 5 10 15 20 25 Г, мм

|-1-1-1-1-1-►

0 1 2 г*

В соответствии с топографией полей давления при г*>4 и w>15 м

наибольшая интенсивность теплоотдачи будет наблюдаться в импактнь

струях, образованных соплами с несимметричной формой поперечно)

ечения. При этом в зависимости от конкретной формы сечения и режимных [араметров струи из треугольного, либо квадратного каналов обеспечивают гаиболыную интенсивность теплообмена на преграде. Однако, как показано в лаве III, в большинстве случаев преимущество по эффективности еплообмена будет принадлежать импакгной струе из квадратного сопла.

Аналогичный анализ рельефа поля давления был проведен для акрученных импактных струй. Сравнение показывает (рис.5), что у акрученных струй распределение давления отличается от такового для грямоточных: если у первых величина давления незначительно увеличивается [О г*г0,5, то у вторых она монотонно падает; у закрученных струй в зоне ,2<г*<2 наблюдается узкий локальный максимум среднего давления, тогда как ' прямоточных здесь существует разряжение.

В области максимума среднего давления потока на преграду наблюдался и ¡начительный пик ор (рис.6), величина которого пропорциональна параметру срутки пА. (ГПа

300 -1-;-1-;-

|-1-1-|-1-1-,

0 1 2 г*

Рис.5. Распределения среднего давления по радиусу преграды г для прямоточной круглой и закрученных струй (\у=13м/с; (Ь=Юмм; 7.*=6) : 1- пл=0,916; 2 - пА=0,523; 3 - па=0,241; 4 - круглое сопло

ф-1 ..Ф..-2..

* -3

........... у/— ....."V

¡V

10

15

20

ч-

Рис.б.Распределение среднеквадратичного (по углу) отклонения давления ср по радиусу преграды г для закрученных струй (\у=13м/с; ёэ=10мм; г*=6): 1-пА=0,916; 2-пд=0,523; 3-пА=0,241

25 г, мм -1-*

г

Совмещение максимумов на рис.5 и 6 объясняется тем, что в эту часть поверхности ударяют исходные струйки газа, выходящие из межлопаточных каналов завихрителя. Хотя значение максимумов стр в закрученных струях гораздо выше, чем у прямоточных, площадь поверхности преграды, охваченная наибольшими градиентами давления у них меньше, следовательно можно ожидать, что увеличение теплоотдачи в закрученных импактных струях будет слабее.

Четвертая глава посвящена описанию основных закономерностей теплоотдачи прямоточных и закрученных газовых струй при натекании на преграду. Установлено, что у первых зависимость Ыи=1(Ке) определяется:

формой импактнои струи, величинои Яе=-, относительным размером

v

преграды 0*=Ш1э и расстоянием г*. Естественно, что во всех случаях число

--

N и -—— растет с увеличением числа Рейнольдса (рис.7).

|"а90

-г*

Атг-' II

р! ; ;

Рис. 7. Зависимость среднего числа

№ для различных прямоточных импактных газовых струй от числа Рейнольдса Ле: ёэ=10мм, Т)*=1, г*=3; форма точки соответствует конфигурации сопла

О RCi.pi Яскр: 8000 12000 16000 Ие

Установлено, что при малых размерах преграды, когда 10*<5, эта висимость практически линейная во всем исследуемом диапазоне чисел ;=2000+20000, и слабо зависит от формы канала. При В*=5^17,5 для всех шов сопел и расстояниях до преграды г*=3-г12,5 на графике функции и можно выделить два характерных участка (I и II), соответствующих,

з-видимому, различным стационарным турбулентным режимам и -раниченные критическими числами Рейнольдса Ле^, величина которых лисит от формы струи. Необходимо подчеркнуть, что импактные струи для шалов некруглого поперечного сечения на всех исследованных режимах при *=3-г17,5 имеют в сравнении с круглой более высокие значения ээффициентов теплообмена.

Анализ зависимости Ми==Г(г*) (рис.8) показал, что с ростом 11е меняется эложения экстремумов, что свидетельствует об усилении влияние формы груеобразующего канала. Однако при больших удалениях (г* > 12-И 5) среднее исло Нуссельта слабо зависит от формы сопла.

В подавляющем числе случаев уровень теплоотдачи «квадратной» мпактной струи выше. Однако при некоторых сочетаниях геометрических и ежимных параметров интенсивность теплообмена с преградой оказывается ольше у струи из «треугольного» сопла (см. рис.7).

Рис.8. Зависимость среднего числа

Ки для различных импактных газовых струй от расстояния до преграды г*((Ь=10мм, П=70мм): 1-Ке=2000, 2-Яе=6000, 3-Яе=15000; форма точки соответствует конфигурации сопла

« 4 8 12 г

В свою очередь зависимость среднего числа N11 от Ие для закрученных струй также зависит от относительного расстояния т.* и диаметра преграды Б*. При малых значениях О* и г* функция N11 =Г(Кс) является практически линейной, а роль конструктивного параметра крутки завихрителя п^ незначительна. С увеличением Б* при сохранении слабой зависимости отпА на графике этой функции начинает проявляться характерный излом (см. рис.9), указывающий на существование двух режимов (зоны I и II).

Вид графиков N11 =Ц2*) для закрученных струй (рис. 10) показывает, что иг преграде при Б*<7 и малых числах Рейнольдса интенсивность теплообмеш практически не зависит от расстояния вплоть до г*=6, после чего наблюдаете* спад Ыи. В этом автомодельном участке наибольший уровень теплоотдач! наблюдается у струй с максимальной круткой. При больших Яс теплоотдача пс мере увеличения г* монотонно уменьшается, причем снижение N11 тек сильнее, чем выше число Рейнольдса. На этом режиме несколько больша) интенсивность теплообмена наблюдается для струй, образованны; завихрителем с минимальной круткой.

А Б в

1 с? е $

2 А А V

3 □ О г

15000 Яс

'ис.9. Зависимость среднего числа № от Рис. 10. Зависимость среднего числа № для [исла Рейнольдса Яе (сЬ=10 мм, 0=160 мм, закрученных газовых струй от :*=4) для завихрителей: 1- Пд=0,916; относительного расстояния до преграды г* па=0,523; 3- пл=0,241 (<1э=10 мм, 0*=7) при разных числах Яе:

А - Яе=2000; Б - 6000; В-14000; 1- пА=0,916; 2- пА=0,523; 3- пА=0,241

В целом установлено, что закрутка потока с помощью аксиальных ивихрителей не приводит к значительной интенсификации теплообмена в шпактных струях. В отличии от использования каналов с некруглой формой юперечного сечения, для которых средний коэффициент теплоотдачи »Увеличивался до двух раз, здесь увеличение коэффициента а в сравнении с трямоточной круглой струей не превышало 25%.

В работе отмечается корреляция опытных данных по теплообмену с результатами исследования поля давления на преграде.

С помощью приближенных асимптотических и операционных методов (см. ссылку к главе V) было проанализировано модельное уравнение конвективной теплопроводности и получена структурная формула для числа Нуссельта:

Н..*-^«™]. (1)

где показатель п и Аь Аь - константы. Число 11е здесь рассчитывается по среднерасходной скорости, а в качестве определяющих использованы с1э и

температура газа перед соплом. Для закрученной струи в уравнении фигурирует еще параметр закрутки. Аппроксимация опытных данных для каждого из изученных каналов позволила найти конкретный вид зависимости (1):

круглая импакгаая струя -

№ = 5,57 • Яе0'479-(г *)'0-27 ■ (Э *)~0'795 • Рг0'43; (2)

квадратная импактная струя-

N11 = 30,77• Яе0,453■ (г*)~0-227 .(о*)"1'346 -Рг0'43; (3)

треугольная импактная струя -

Ш = 21,45 • Яе0'456- {г ■ (О *)^216 • Рг0'43; (4)

закрученная струя -

№ = 4,28Яе°-529.(2*)_0Л2 .(о')'0'65' -па-0'131 -РГ0'43; (5) которые справедливы при Ые = Ы03-2-104; г*=Ы2,5; В*=3+17,5; пА=0,24+1.

Различие в величине показателя степени при Ые для прямоточных струй ш превышает 2,5%, тогда как константы А отличаются в несколько раз. Е приведенные критериальные уравнения член Рг0,43 введен по аналогии с результатами других авторов.

В четвертой главе также проводится сравнение газовых импактных стру{ по энергетической эффективности теплоотдачи Е, определяемой ка! отношение среднего удельного теплового потока к затратам удельной энергш дутьевых средств на прокачку теплоносителя.

Оказалось, что энергетическая эффективность Е для прямоточных стру{ разной формы и закрученных струй монотонно убывает с ростом Ле

Относительная эффективность теплоотдачи, определяемая как Е*= , гд

/Ео

Е0 - энергетическая эффективность «круглой» струи при том же Яе, позволяв-сравнить струи, образованные каналами разной формы.

Во всех случаях среди прямоточных струй более экономичными п< энергозатратам на теплоперенос являются струи, образованные каналами соплами с квадратным поперечным сечением (рис.11). Вместе с тем

1ВИСИМ0СТИ от Яе у каждой формы импактных струй существует своя птимальная комбинация г* и О*, позволяющая достигнуть наилучшей тергетической эффективности теплоотдачи.

Рис.11. Зависимость энергетической эффективности для круглой струи Е о и относительной энергетической эффек-тиности теплоотдачи Е* для различных импактных газовых струй от числа Рейнольдса 11е: с!э=10мм, Э=70 мм, г*=3, форма точки соответствует конфигурации сопла

5000

10000

Из сравнения графиков Е*=Г(Яе) закрученных импактных струй (рис.12) ри разных параметрах крутки пл следует, что наибольшей энергетической ффективностью теплоотдачи, но в узких диапазонах, обладают закрученные мпактные струи, образованные завихрителями с большим углом установки опаток (>30°); при этом сам уровень теплоотдачи остается относительно евысоким по сравнению с круглой струей.

Е*

13

1,2

и

1 1 1 ж --1..1. -Э- -I 4

1 1 " 1 \ и 1 к *

\\ т ^ / * /V

\ \ ^ / / »

1.5

1.0

0.5

Рис.12. Зависимость энергетической эффективности Е0 для круглой прямоточной струи и относительной Е* эффективности теплоотдачи закрученных импактных струй от числа Рейнольдса Яе (П*=7, г*=2) при разных параметрах крутки: 1-па=0,916; 2-па=0,523; 3- пА=0,241

4000

8000

12000

Ие

Таким образом, для достижения наибольшего уровня теплоотдачи импактных струй следует применять струеобразующие каналы с некруглой формой поперечного сечения.

В пятой главе приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования теплообмена со стенками потока газа, вызванного естественной конвекцией в вертикальном канале в виде геометрического сопла, образованного изогнутыми плоскостями (рис.13).

При теоретическом анализе рассматривался суживающийся вертикальный канал, созданный двумя наклонными плоскостями. Использовалось двумерное уравнение конвективной теплопроводности в приближении пограничного слоя.

Для определения локальных и средних чисел Нуссельта на основе поставленной задачи применялись специальные операционные методы и метод асимптотической коррекции1. В результате выполненного анализа для случаев постоянной температуры стенки и постоянного теплового потока найдена связь между локальными и средними числами Нуссельта для плоского щелевого канала с параллельными стенками и соответствующими числами Нуссельта для канала с наклонными стенками. Для среднего числа Нуссельта Ыи^ на наклонных пластинах и аналогичной величине N11/ для плоского канала получено соотношение:

N11* = Ии^ср, (6)

где функция ф зависит от геометрических характеристик профильного канала: его начальной ширины, длины пластин и угла их наклона. В качестве определяющего размера использована длина пластины. Величина N11^

рассчитывается по известным формулам для канала с параллельными стенками.

Для локальных чисел Нуссельта N11 х получено соотношение, аналогичное (6). Функция ф в этом случае зависит как от перечисленных выше геометрических характеристик, так и от координаты оси, направленной вверх вдоль пластины.

1 В.В. Дильман, А.Д. Полянин. Методы модельных уравнений и аналогий. М.: Химия, 1988.-304 с.

Экспериментальное исследование теплообмена выполнено на натурном оразце бытового электрообогревателя (рис.13), изготовленном Уральским аучно-инженерным центром «Водород».

Суживающийся канал дополнен расширяющейся частью для снятия гатического давления (аналог используется в дымовых трубах). Пластины агревателя выполнены из электротермического материала и служат сточником тепла. Размеры канала составляли: высота - 625 мм, глубина - 900 м, ширина - внизу в устье сопла, в узком сечении и на срезе 130, 45, 75 мм эответственно. Измерения скорости и температуры потока осуществлялось ;рмоанемометром ЭА-2М, температура стенки канала измерялась грмопарами.

На рис.14 представлено сравнение результатов численных расчетов по (6) экспериментальными значениями коэффициентов теплоотдачи. Учитывая, что юрегические результаты носят приближенный характер, данные эксперимента толпе удовлетворительно согласуются с численными оценками.

Рис. 13. Схема экспериментальной установки: 1- струеобразующий канал с тектрообогревом, 2 - ваттметр; 3 - термостат с термометром; 4 - электронный вольтметр, - контактная термопара; 6 - датчик термоанемометра; 7 - измерительный блок грмоанемометра

у, мм

600 .

VIII -

VII

VI

IV III

V

II

...... /

2 3 4 5 «л/а

Рис. 14. Изменение отношения средних по участкам коэффициентов теплоотдачи в профилированном ал и плоском СсЛо каналах вдоль вертикальной оси у : 1 - расчет для

суживающейся части; 2 - эксперимент

Оказалось, что применение профильного канала интенсифицирует теплообмен в среднем в два раза. При этом скорость истечения конвективной струи увеличилась более чем в полтора раза но сравнению с плоским щелевым каналом.

Последнее обстоятельство позволяет улучшить условия локального обогрева, что создает более комфортные условия для потребителей.

1. Предложена физическая модель интенсификации теплоотдачи 1 газовых импактных струях путем применения каналов-сопел с формо] поперечного сечения, не имеющей осевой симметрии (квадрат, треугольник] усложнение топографии поля давления на преграде в сравнении симметричной струей приводит к образованию дополнительных турбулентны крупномасштабных движений, способных интенсифицировать теплоотдачу.

2. Экспериментально установлено существование значительны различий в топографии полей давления на преграде при применени формирующих струи каналов с круглым, квадратным и треугольны

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

:чениями. Для двух последних видов каналов поля давления характеризуются эльшими значениями радиальных и тангенциальных градиентов, влияющих на :чение в пограничном слое.

3. Проведены аналогичные вышеупомянутым исследования влияния жрутки исходных струй на структуру поля давления. Показано, что эти поля >же имеют сложный вид, но с иной, чем в предыдущих случаях топографией, характеризуются меньшими градиентами и меньшим охватом поверхности эеграды.

4. В итоге обобщения полученных в работе экспериментальных шных для струй, истекающих из сопловых каналов круглого, квадратного и >еугольного сечений, а также для струй, закрученных аксиальными [вихрителями, найдены критериальные зависимости среднего числа Нуссельта г чисел Рейнольдса, Прандтля, относительного расстояния от сопла до эеграды т.*, относительного диаметра последней Б* и конструктивного фаметра крутки для закрученных струй пд. В результате выполненных ^следований установлено, что интенсивность теплообмена с преградами руй, не обладающих изначально аксиальной симметрией в 1,7т 1,8 раза выше, ;м у цилиндрических струй. Закрутка начального потока также тгенсифицирует теплоотдачу, но в меньшей степени - не более 25%.

5. На основе полученных экспериментальных данных определены ;ельная и относительная энергетическая эффективности теплоотдачи при всех ¡ученных способах организации струйного течения. Найдены закономерности шенения этих показателей в зависимости от режимных параметров для 1зличных ъ*, Б* и пд. Сопоставление рассматриваемых способов управления ¡плообменом позволило отдать предпочтение применению каналов с ¡адратным и треугольным сечениями. Полученные данные позволяют ;уществлять оптимизацию теплоотдачи путем подбора геометрических и гжимных параметров процесса.

6. Проведены теоретическое и экспериментальные исследования шяния продольного профиля вертикального струеобразующего канала на (ггенсивность теплообмена газового потока, возникающего в результате ;тествешюй конвекции, со стенками.

Теоретические исследования базируются на уравнении конвективной теплопроводности, использованном как модельное уравнение. Анализ этого уравнения специальным алгебраическим асимптотическим методом позволил, во-первых, установить, что для всех типов рассмотренных импактных струй критериальные уравнения теплоотдачи имеют одинаковую структурную форму; во-вторых, для щелевого канала, формирующего свободноконвективнук струю, получить выражение, описывающее влияние на отношения чисет Нуссельта для профилированного и плоского каналов геометричеекго характеристик продольного профиля первого из них.

7. Результаты математического моделирования подгверждень экспериментально. Установлено, что профилированный канал увеличивав! среднюю интенсивность теплообмена примерно в 2 раза по сравнению ( плоской щелью. Полученные зависимости использованы при разработю электроконвективного обогревателя.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Б.П. Жилкин, В.М. Костомаров, P.M. Минькова, В.В. Тюльпа Гидродинамические факторы теплообмена в импактных струях // Тезиы докладов 1-ой научно-технической конференции физико-техническоп факультета УГТУ-УПИ. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1994.-C.41-42.

2. В.И. Бадер, JI.K. Васанова, Б.П. Жилкин, А.М. Корякин, В.Е Тюльпа, Г.П. Ясников. Теплообмен импактных газовых струй с движущимис поверхностями различной формы // Тепломасообмен ММФ-9( Тепломассообмен в энергетических устройствах и энергосбережение. Т.10 Минск: АНК «ИТМО им.А.В. Лыкова» АНБ, 1996,- с.128-132.

3. Б.П. Жилкин, И.В. Кирнос, В.В. Тюльпа, Г.П. Ясников. Теплообме при естественной конвекции в канале, имеющем форму геометрическог сопла// Депонирована в ВИНИТИ 9.09.96 г. Х° 2784-В96.

4. Б.П. Жилкин, В.В. Тюльпа, М.М. Хазиев, Г.П. Ясников. Некоторь характеристики теплоотдачи в газовых импактных струях разной формы Депонирована в ВИНИТИ 9.09.96 г. № 2783-В96.

5. Б.П. Жилкин, B.B. Тюльпа, М.М. Хазиев, Г.П. Ясников. Грименение импактных газовых струй в термообработке // Тезисы докладов IX 'оссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических [роцессов». -Рыбинск: РГАТА,1996,- с.75-76.

6. Б.П. Жилкин, В.В. Тюльпа, М.М. Хазиев, Г.П. Ясников. Тримснеиие импакгных газовых струй разной формы в совершенствовании [роцессов сушки// Тезисы докладов областной научно-технической онфереиции «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного омплекса». - Екатеринбург: УГЛТА, 1997,- с.246-247.

7. Б.П. Жилкин, В.В. Тюльпа, М.М. Хазиев, Г.П. Ясников. О рименении импактных газовых струй разной формы с системах охлаждения дерных энергоустановок //Тезисы докладов международной конференции Безопасность, подготовка кадров и экологические проблемы ядерной нергетики». - Екатеринбург: УГТУ, 1997,- с.29-32.

8. Б.П. Жилкин, В.В. Тюльпа, М.М. Хазиев. Применение струй разной юр мы для интенсификации теплоотдачи в агрегатах ТЭС // Тезисы докладов эбилейной иаучно-техничсской конференции «Подготовка кадров и кологические проблемы энергетики».- Екатеринбург: УГТУ, 1997. - с.127-128.

9. Б.П. Жилкин, В.В. Тюльпа, Г.П. Ясников. О выборе формы мпирических уравнений для струйной теплоотдачи //Тезисы докладов эбилейной научно-технической конференции «Подготовка кадров и кологические проблемы энергетики»,- Екатеринбург: УГТУ, 1997. - с.121-122.

10. A.A. Гулаков, Б.П. Жилкин, В.В. Тюльпа. Применение струйных истем для создания эффективных теплообменных аппаратов // Тезисы (окладов научно-практического семинара на международной выставке ¡Уралэкология-98» «Экологические проблемы промышленных регионов»,-жагеринбург: ГК ООС, 1998. - с. 147.

11. A.A. Гулаков, Б.П. Жилкин, В.В. Тюльпа, М.М. Хазиев. О фименении импактных струй разной формы для охлаждения жаровых труб// ¡Совершенствование турбин и турбинного оборудования». Региональный ;борник научных статей. - Екатеринбург: УГТУ, 1998.-C.244-253.

12. Б.П. Жилкин, В.В. Тюльпа, М.М. Хазиев. Интенсификаци теплоотдачи в газовых импактных струях // Интенсификация теплообмена Труды Второй Российской конференции по теплообмену.Т.6. - М.: МЭИ, 1998 с.110-113.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ёэ[мм] - эквивалентный (гидравлический) диаметр сопла; г[мм] расстояние от среза сопла до преграды; В [мм] - диаметр преграды (медноп датчика); г [мм] - радиус по преграде; пА - конструктивный параметр крутки Р [Па] - давление струи на преграду; Р [Па] - среднее по углу давление струи н преграду; ар [Па]- среднеквадратичное отклонение давления; N11 - критери Нуссельта; Яе - критерий Рейнольдса; Рг-число Прандтля; лу[м/с] - скорост истечения газа; х, у, г - оси координат; Е - удельная энергетическа эффективность теплоотдачи; Е 0- удельная энергетическая эффективност теплоотдачи круглой струи; Е* - относительная энергетическая эффективност теплоотдачи; индекс * -относительная величина, полученная делением на (Ь.

Екатеринбург Ризография Подписано в печать 07.12.98

Тираж 100 Заказ 284

Ризография НИЧ УГТУ 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 19

67: УУ- 6/6У6- V-

Министерство общего и профессионального образования Российской федерации УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ТЮЛЬПА Валентина Владимировна

ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ НА ТЕПЛООТДАЧУ ГАЗОВЫХ СТРУЙ

05.14.5 - теоретические основы теплотехники

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор физико-математических наук, профессор ЯсниковГ.П. Научный консультант -кандидат технических наук, доцент ЖилкинБ.П.

Екатеринбург 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ..............................

стр. 4

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................7

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................9

1.1. Гидродинамика струи, натекающей на преграду.................. 9

1.2. Особенности механизма струйного теплообмена................17

1.3. О методах интенсификации теплоотдачи

при струйном обтекании поверхностей................................25

1.4. Выводы и постановка задач исследования........................33

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК....................................35

2.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований по газодинамике импактных

прямоточных и закрученных струй............................................35

2.2. Методика проведения опытов и экспериментальная установка для исследования процесса теплоотдачи при взаимодействии газовых струй с плоской преградой...............42

2.3. Оценка погрешности эксперимента..........................................46

3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТЕПЛООТДАЧИ

В ИМПАКТНЫХ СТРУЯХ................................................................47

3.1. Некоторые гидродинамические факторы теплопередачи импактных газовых струй разной формы...................................47

3.2. Влияние закрутки осесимметричной газовой струи

на гидродинамические условия теплоотдачи...........................59

2

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ИМПАКТНЫХ СТРУЯХ .........................70

4.1. Закономерности теплообмена при взаимодействии импактных прямоточных струй разной формы

с преградами................................................................................70

4.2. Закономерности теплоотдачи в закрученных

импактных струй........................................................................82

4.3. Критериальные уравнения для теплообмена

газовых импактных струй с преградами..................................88

4.4. Эффективность теплоотдачи в газовых

импактных струях........................................................................91

5. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООТДАЧИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ ВНУТРИ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТРУЕОБРАЗУЮЩЕГО КАНАЛА..................................................97

5.1. Теоретический анализ возможности интенсификации теплоотдачи путем изменения продольного

профиля канала...........................................................................98

5.2. Экспериментальное сравнение теплоотдачи свободной конвекции внутри вертикальных каналов

разной формы...............................................................................107

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.................................................................114

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................117

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................131

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

Ср в а

¿э

Б*

В

удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг-К);

■ диаметр преграды, мм;

- диаметр выходного сечения сопла, мм;

■ эквивалентный (гидравлический) диаметр, мм;

- относительный диаметр преграды;

е

_ Я

е0

е* =

Б

%

Н

г

е.

- энергетическая эффективность теплоотдачи;

- энергетическая эффективность теплоотдачи круглой импактной струи;

- относительная энергетическая эффективность теплоотдачи;

- поверхность теплообмена, м2;

- ускорение силы тяжести, м/с2;

- высота сопла, мм;

- высота профилированного канала, мм;

Р V

К* = —--мощность дутьевых средств, Вт;

■ пл

пА Р

О

я я

г

^тах

- конструктивный параметр крутки, рассчитанный по Р.Б. Ахмедову;

- среднее (по углу) давление на преграде, Па;

- тепловой поток, Вт;

- плотность теплового потока, Вт/м ;

- текущий радиус по преграде, мм;

- радиус сопла, мм;

-максимальная относительная систематическая погрешность, %;

г

и tf

tc

и м

V

V/

ъ

7* =

°Р

а аJ

а.

5

5ПЛ

у ©

Ф

а

X

v

т

-температура, С;

- температура окружающей среды, °С;

- температура воздуха в дутьевой камере, °С;

- температура внутренней поверхности пластины профилированного канала, °С;

- начальная температура пластины, °С;

- средний по времени процесса температурный напор, К;

- объемный расход воздуха, м3/ч;

- среднерасходная скорость газа, м/с;

- расстояние от среза сопла до преграды, мм;

- относительное расстояние от среза сопла до преграды, г*

- среднеквадратичное отклонение давления, Па;

- коэффициент теплоотдачи,

Вт/м-К;

- локальный (по участкам) коэффициент теплоотдачи между

2

потоком и стенкой профилированного канала,

Вт/м-К;

- коэффициент теплоотдачи между потоком и стенкой

плоского канала, Вт/м -К;

- толщина пограничного слоя;

- толщина пластины-датчика, мм;

- угол установки лопаток завихрителя, град.;

- безразмерная температура газа;

- угол наклона стенок вертикального профильного канала, град.;

- коэффициент температуропроводности, м/с;

- коэффициент теплопроводности, Вт/м-К;

л

- коэффициент кинематической вязкости, м/с;

- время, с;

Основные критерии

а8 „ „

в1 = — - критерии Био;

1%

4ат .

Е0 = —— - число Фурье;

5

й ■ (х

№ = —— - критерий Нуссельта;

а,

Ре =—- - число Пекле; «

Рг - число Прандтля;

^^ ^ „

Ле = —- - число Реинольдса;

v

Он = ,с--число Грасгофа;

1 у

- число Стентона.

ерш

ВВЕДЕНИЕ

В современных энергетических установках и агрегатах некоторым узлам требуется передача мощных тепловых потоков от газа к поверхности. Для обеспечения нормального термического режима этих элементов необходимо применение высокоинтенсивных систем охлаждения. При этом особое внимание следует уделить такому теплоносителю, как воздух, который существенно превосходит остальные среды по доступности и дешевизне, но значительно уступает жидкостным теплоносителям по интенсивности теплосъема с поверхности. Поэтому повышение эффективности существующих воздушных систем охлаждения и разработка их перспективных конструкций имеют большое значение для совершенствования технологических процессов.

Одним из эффективных способов организации теплообмена между газом и твердыми телами является применение импактных струй, ориентированных по нормали к поверхностям. Обладая высоким уровнем турбулентности, струйный теплообмен в большей степени интенсифицирует процесс теплопередачи нежели другие способы охлаждения (нагревания) поверхностей при прочих равных условиях [49,98]. Это и определяет его использование во многих технологических процессах: термическая (закалка) обработка различных изделий, химикотермическая обработка поверхностей в металлургии, технология полимеров, охлаждние лопаток газовых турбин и элементов камер сгорания в энергетике и т.д.

Гидродинамике и теплообмену импактных струй посвящено большое число журнальных статей и ряд монографий. Однако в ряде случаев и такой уровень теплоотдачи еще не достаточен, и проблема усиления теплопереноса уже в импактных струях остается актуальной и в настоящее время.

С целью дополнительной интенсификации теплообмена в импактных струях перспективным является воздействие таких внешних факторов, как форма поперечного сечения канала и предварительная закрутка потока. Однако сведения о влиянии этих факторов на теплообмен с преградой ограничены или носят оценочный характер.

Кроме того, при конструирования теплообменник устройств, использующих импактные струи, необходимы данные об энергетических затратах на тот ли иной способ интенсификации теплообмена.

Поэтому целью настоящей работы является экспериментальное исследование влияния организации течения в прямоточных каналах разной формы поперечного сечения и соплах с начальной закруткой на теплоотдачу газовых струй с преградой и оценка энергоемкости применяемых способов интенсификации.

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая теплотехника» Уральского государственного технического университета и является составной частью координационного плана АН СССР по проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» № Г.Р. 01840005222 (Программа Минвуза «Человек и окружающая среда»).

Автор выражает благодарность своему научному руководителю, заведующему кафедрой «Теоретическая теплотехника», д.ф.-м.н., профессору Ясникову Г.П., научному консультанту, к.т.н., доценту Жилкину Б.П., д.т.н., профессору Сапожникову Б.Г. и другим сотрудникам кафедры за доброжелательное отношения и критические замечания, высказанные в процессе обсуждения работы.

ГЛАВА 1

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Гидродинамика струи, натекающей на преграду

Теплообмен в импактных струях, как и в других течениях, почти полностью определяется гидродинамической обстановкой в потоке. По результатам исследования гидродинамических характеристик потока определяются эмпирические коэффициенты, используемые при теоретических решениях задач о теплообмене. Поэтому представляется целесообразным до начала изложения вопросов теплообмена при струйном обтекании тел рассмотреть основные закономерности развития струи, изменение ее осредненных и турбулентных характеристик при нормальном натекании на плоскую поверхность. Такой подход в определенной степени связан и с недостаточной изученностью влияния внутренней структуры струи на процессы теплообмена на преграде.

Теплоотдача при взаимодействии струй с преградами в общем случае осложнена влиянием градиента давления, высокой степенью турбулентности набегающего потока, волновой структурой потока, пульсациями давления, акустическим излучением, резонансными явлениями и др.[49].

В настоящее время еще не полностью выяснено действие указанных факторов на процессы переноса в пограничном слое при натекании струи на преграду. Однако при натекании неограниченного потока на преграду в данном аспекте получены некоторые конкретные результаты, которые, безусловно, помогут определить влияние осложняющих факторов на процессы переноса в области взаимодействия струй с преградами.

В работе [98] приводятся результаты экспериментальных

исследований процессов теплообмена в области взаимодействия с

9

преградой дозвуковых струйных потоков с естественной и с искусственной турбулентностью. Показано, что активным воздействием на характеристики струйного течения можно оказывать существенное влияние и на процессы взаимодействия струи с преградами.

Согласно современным представлениям [5] характерной особенностью турбулентных струй является наличие тангенциальной поверхности разрыва скорости и температуры. Эта поверхность неустойчива, следовательно на ней образуются турбулентные вихри, переносимые как вдоль, так и поперек потока. Последние при своем поперечном движении выходят за пределы струи, переносят в соприкасающиеся слои окружающего газа свои импульсы, передают им некоторое количество движения. Одновременно в струю проникают частицы окружающей среды, которые затормаживают или ускоряют ее граничные слои. В результате обмена веществом между струей и окружающей средой масса струи и ее ширина в направлении движения изменяются. Приграничные слои струи вместе с вовлеченными в движение частицами окружающего газа образуют так называемый свободный (струйный) пограничный слой, толщина которого в направлении движения возрастает.

По мере развития пограничного слоя его внутренняя граница приближается к оси струи и в некотором сечении касается ее. Начиная с этого момента слой смешения занимает все поперечное сечение струи, и дальнейшее ее развитие сопровождается падением скорости на оси, определяемом законом сохранения импульса (основной участок струи).

Приняв во внимание взаимосвязь закономерностей среднего теплообмена с условиями развития свободной струи, проведем анализ поля течения струи по экспериментальным данным работ, посвященных исследованию гидродинамических и теплообменных характеристик импактных газовых струй.

Анализ экспериментальных данных, выполненный в [49,5], показывает, что закономерности изменения кинетических характеристик

турбулентной струи при больших расстояниях до преграды позволяют выделить в ней три области течения (рис.1.1.): область свободной затопленной струи I (начальный участок), область градиентного течения в зоне удара и разворота струи на преграде II и область пристенной (радиальной или плоской ) струи III. В первой из них, простирающейся на расстояние z = 4^6 диаметров сопла, течение на периферии струи ламинарно и только при z > 4^-6d течение становится турбулентным и в периферийной области струи. На начальном участке струи в приосевой области сохраняется потенциальное течение (потенциальное ядро), соприкасающееся с внутренней границей турбулентного слоя. Как показывают многочисленные опыты, одним из основных свойств струи является постоянство статического давления практически во всей области течения, вследствие чего скорость в потенциальном ядре струи остается постоянной. Поэтому на внутренней границе пограничного слоя в пределах начального участка скорость потока равна скорости истечения.

Размывание струи за пределами начального участка выражается не только в утолщении, но и в изменении скорости вдоль ее оси. В переходном участке, следующем за начальным и равном по длине ~2ч-4ё, скорость начинает уменьшаться и на оси струи. Изменение скорости продолжается также и в основном участке (при z > 8-^1 Od).

Опыты Г.Н.Абрамовича [1] и др. исследователей по анализу скорости в пограничном слое начального участка показали, что на основном участке струи относительные профили скоростей укладываются на одну и ту же универсальную кривую, что указывает на подобие полей скоростей в различных поперечных сечениях этого участка. В переходном же участке профили скорости постепенно изменяются и становятся подобными лишь у его конца, на расстоянии порядка 8 диаметров сопла от начала потока.

На основании подобия полей скоростей были высказаны некоторые гипотезы об автомодельности свободного струйного течения.

Рис. 1.1. Характерные области течения в импактной струе

Влияние преграды на изменение гидродинамических параметров струи, натекающей на преграду, начинает проявляться с расстояния (1,2-5-1,5) (1 от поверхности. Поэтому между срезом сопла и сечением, отстоящим от преграды на указанное расстояние, т.е. в начальной области струи, остаются справедливыми все соотношения, характерные для свободной струи [1,38].

Для области I характеристики течения исследованы наиболее подробно, поскольку свободная затопленная струя давно представляла самостоятельный предмет изучения.

Опыты с визуализацией течения в струе показали, что при 11е<103 поток сохраняется ламинарным до расстояния т? « 4, после которого на границе струи появляются небольшие возмущения. С ростом числа Рейнольдса протяженность ламинарного течения уменьшается, усиливается турбулентность в области смешения, и, наконец, при

Ке=4-10 струя становится полностью турбулентной. В соответствии с

характером течения в струе изменяется длина начального участка 2]

Кроме того, эти данные показали слабую зависимость длины начального

изменения относительной толщины пограничного слоя, нарастающего на стенках сопла.

Результаты других исследований [21, 49] по протяженности

Практически во всех случаях, когда струя имеет неравномерный профиль начальной скорости и повышенный уровень турбулентности, длина начального участка сокращается [15, 29].

Рекомендации по учету влияния профиля скорости струи на ее осредненные параметры содержатся в работах [2,71].

участка от размера сопла при Яе = 10^ -ПО4, по-видимому, вследствие

начального участка группируются вокруг

Характеристики внутренней структуры свободных осесимметричных струй определялись опытным путем с помощью термоанемометров.

Согласно данным, полученным в [2], интенсивность пульсаций на оси струи Tum, отнесенных к местной скорости, по мере удаления от среза сопла монотонно повышается. В пределах потенциального ядра струи это повышение плавное - от Tum =0,003-Ю,005 на срезе сопла до Tum =0,04 при z/d«4. Имеющиеся расхождения в данных авторов [2] и [71] (40-80%) скорее всего связаны и с отличием в начальных условиях (толщина пограничного слоя на стенке сопла, толщина пограничного слоя на стенке сопла, толщина выходной кромки сопла, наличие экрана в выходном сечении сопла и т.п.), и с индивидуальными особенностями применяемых датчиков и аппаратуры. Резкое нарастание уровня пульсаций наблюдается в диапазоне z / d = 6ч-14, где зона смешения достигает оси струи и крупные вихри разрушаются на более мелкие турбулентные образования. Значения Tum почти стабилизируются при z*= 20, составляя 0,22-Я),25.

Гораздо меньше экспериментальных данных о распределении вдоль оси струи поперечной составляющей пульсации скорости, при изм�