Теплоперенос в импактных струйных системах в условиях сильного влияния начальных возмущающих факторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Академия наук Украины Институт технической теплофизики

На правах рукописи УЖ 532.525.6:536.24

ГОРПКОВ Геннадий Федорович

ТЕШ10ПЕРЕН0С В ИШАКТНЫХ СТРУЙНЫХ СШТЕШ В УСЛОВИЯХ СИНЬНОГО ВЛИЯНИЯ НАЧАЛЬНЫХ ВОЗМУЩАЮЩИХ ФАКТОРОВ

/01.04.14-теюгофизика и молекулярная физика/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

#

Киев,1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском МЕХАНИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ

Официальные оппоненты:

- академик АН Украины ,профессор Д£бан Е.П.

- член-корреспондент АТН РФ, профессор Сударев A.B.

- доктор технических наук, профессор Еринов А.Е.

Ведущая организация:

КБ Машиностроение, г. Коломна

в " ■у Ц " часов на заседании специализированного совета Д.016.43.01 при Институте технической теплофизики АН Украины

Защита состоится

(252057,Киев-57,ул.Желябова,2а)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГТФ АН Украины

Автореферат разослан " 24 "

1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Н.В.Костенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.Развитие авиационной,ракетно-космической техники, совершенствование существующих и создание принципиально новых наукоемких технологий в машиностроении,металлургии,химической промышленности,разработка систем тепловой защиты различных энергетических установок,а также создание тепловых агрегатов и машин в различных отраслях народного хозяйства связаны с решением задач теплофизики до- и сверхзвуковых струйных течении и,в частности,с решением проблемы разработки методов расчета теплообмена и изыскания способов рационального управления уровнем тепловых

у ^

нагрузок на обтекаемой поверхности в импактных струйных системах газа и плазмы в условиях сильного влияния начальных возмупа-ющих факторов.

Особенностью струйных течений является существенная неравномерность распределения газодинамических и тепловых параметров, связанная как собственно с их природой,например,до- и сверхзвуковое истечение,так и с влиянием начальных возмушений (искусственно созданные неравномерность и турбулентность на срезе сопла;неизо-термичность;двухфазность и т.п.),а такяе возникновение различных по физической сущности типов взаимодействия,таких как стационарный и автоколебательный.Отмеченные обстоятельства затрудняют в теоретическом плане общую точную постановку и решение задачи о расчете теплообмена в импактных струйных системах.

На сегодня наиболее разработаны в теоретическом и экспериментальном плане вопросы влияния неравномерности распределения газодинамических параметров и степени турбулентности на процессы теплопереноса в струях,взаимодействующих с преградами.Однако при этом рассматривались,как правило,изотермические струйные системы. Существующие исследования процессов теплопереноса в неизотермических одно- и двухфазных импактных струйных системах газа и плазмы носят скорее постановочный,чем систематический характер, а имеющаяся в литературе информация в определенной степени противоречива и одностороння.В полной мере сказанное относится и к режимам автоколебаний,возникающих в импактных струйных системах

х^от английского "'ипра& "-удар,столкновение,контактирование под давлением,торможение в критической точке и т.п.

при ряде сочетаний режимных параметров.Наличие достаточного числа "пробелов" в моделировании струйного взаимодействия с преградами затрудняет не только сопоставительный анализ уже существующих результатов,но и переход к усложненным условиям протекания процессов теплопереноса,что отрицательно сказывается при проектировании образцов новой техники и создании перспективных наукоемких технологий.

Таким образом,отмеченное свидетельствует об актуальности проблемы,вынесенной в заглавие диссертации,как для теории струйного конвективного теплообмена,так и для конкретной инженерной практики.

Цель и задачи исследования.Целью работы является разработка методов расчета течения и теплообмена в импактных струйных системах в условиях сильного влияния начальных возмущающих факторов на процессы турбулентного переноса.Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач;

-экспериментально исследовать влияние режимных параметров на процессы теплопереноса и микроструктуру потока в импактных струйных системах;получить эмпирические и критериальные соотношения для расчета внутренней структуры турбулентности,трения и теплообмена на поверхности преград;

-построить и обосновать модель турбулентности,учитывающую влияние внешних пульсаций на коэффициенты переноса;с ее помощью численно исследовать течение и теплообмен при обтекании преград;

-экспериментально и численно исследовать интенсификацию процессов переноса в свободных и взаимодействующих с преградами струях плазмы;проанализировать роль дисперсной примеси на усиление теплообмена в импактных струях и разработать полуэмпирический метод его расчета;

-сформировать представления о влиянии когерентных структур слоя смешения на возникновение автоколебаний в системе струя-преграда;экспериментально исследовать теплообмен и дать практические рекомендации по его расчету;

-выявить особенности теплообмена в сверхзвуковых импактных струйных системах;изучить влияние сверхзвукового спутного потока, разреженности среды на возникновение автоколебаний и указать эмпирические соотношения для определения амплитудно-частотных характеристик нестационарных процессов;

-сформулировать и практически осуществить метода организации течения и теплообмена в импактных струйных системах для целей управления локальными (интегральными) характеристиками и интенсификации теплообменных процессов в пристеночных областях.

Метод исследования.Сложность и практическая направленность рассматриваемых задач позволяют применить комплексный метод решения сформулированной научной проблемы:использовать возможности как физического,так и вычислительного экспериментов.При этом предпочтение отдано подходу,основанному на теоретическом обобщении результатов измерений и выборе математической модели с последующей разработкой численного метода расчета.Однако таи,где метод эксперментальных исследований является превалирующим (из-за сложности математического описания течений,например,для нестационарных режимов обтекания,двухфазного взаимодействия и т.п.1.применен подход,связанный с отысканием эмпирических и критериальных зависимостей.В этой части использовались как традиционные методы диагностики струйных течений,так и оригинальные,разработанные автором,например,методы термоанемометрии и электрокалориметрин.Значительное внимание уделялось анализу возможных ошибок измерений,что способствовало достоверности получаемой информации (она так же подтверждалась тестовыми испытаниями).

Научная новизна.Сформированы общие положения о влиянии внешней турбулентности на интенсификацию процессов теплопереноса в пристеночных областях для изотермических и неизотершческих им-пактных струй газа и плазмы; установлен определяющий вклад пульсаций газодинамических величин в механизм теплообмена на обтекаемых поверхностях.Найдены критериальные соотношения для расчета трения и теплообмена на поверхности преград, универсальность которых обоснована в широком диапазоне изменения определяющих параметров: Ма=0,02-3; П. =2-30; Та=290-9000 К; /?е =Ю4-Ю7. Критериальная зависимость для расчета теплообмена в точке торможения в сочетании с иными установленными соотношениями для распределения характеристик теплоотдачи вдоль преграды позволяет также определить поток тепла от газовой фазы при анализе и расчете теплообмена в двухфазной шпактной системе плазмы. Получены полуэмпирические зависимости для определения внутренней микроструктуры потока в пристеночных областях и построена новая модель тур-

будентности.Она положена в основу численного моделирования течения и теплообмена в различных импактных струйных системах (продольное и поперечное обтекание преград,кругового цилиндра).

Проанализировано влияние концентрации дисперсной примеси на характер теплообмена в дозвуковой двухфазной струйной системе плаг мы.Установлены соотношения потоков тепла от дисперсной и газовой фаз в потоке типа' "газ-расплавленные частицы" ;разработан инженерный метод расчета теплообмена в пятне нагрева преграды.

Выявлены неизвестные ранее особенности,связанные с влиянием когерентных структур на локальный теплообмен в режиме автоколебаний (дозвуковое обтекание).Указана зависимость для расчета теплообмена с учетом случайной и периодической составляющих пульсирующих величин.

Новые закономерности и эффекты автоколебаний установлены в сверхзвуковых импактных системах.В первую очередь это относится к обтеканию преград ограниченных размеров недорасширенной струей в условиях спутного сверхзвукового потока и разреженности среды. Впервые доказано возникновение автоколебаний в спутном сверхзвуко вом потоке.Этот результат является фундаментальным и имеет принци пиальное значение для анализа механизма поддержания нестационарног течения.Для разреженных струй впервые обнаружен второй режим авто колебаний (в отличие от плотных струй,где существует только едш-ственный-первыйЗ.Исследовано влияние режимных параметров и разреженности на области существования автоколебаний.Получены обобщающие эмпирические зависимости для расчета частотных характеристик нестационарных процессов.

Разработаны методы организации течения и теплообмена в импак ных струйных системах для целей управления локальными (интегральными) характеристиками и интенсификации тепломассообменных процес сов в пристеночных областях.

Практическая значимость.Предложенные методы расчета течения теплообмена могут быть использованы при проектировании образцов е вой техники; совершенствовании и создании принципиально новых наукоемких технологий,а также при разработке различного рода стенде для испытания материалов.Точность определения тепловой обстановкг достигаемая за счет предложенных методов расчета,позволяет не только значительно сократить сроки проектирования,но и обеспечил создание более совершенных в тепловом отношении схем.

Полученные данные по теплообмену в двухфазных импактных системах плазмы,а также проведенный численный анализ по вводу частиц примеси в струю позволят улучшить качество тугоплавких покрытий в технологическом процессе напыления.Предложенные методы организации течения и теплообмена для целей управления характеристиками и интенсификации теплообменных процессов в пристеночных областях воплощены в создание горелочных устройств,электродуговых плазмотронов,аэродинамических плазменных стендов и установок для испытания теплозащитных материалов (ТЭЛ.

Закономерности и эффекты автоколебаний,установленные в до- и сверхзвуковых импактных струйных системах,позволят определить области изменения параметров,где колебания желательны (например,при разработке газоструйных излучателей звука и ударных волн),а где их следует избегать.Найденные зависимости для определения структуры турбулентности в свободных и взаимодействующих с преградами струях могут быть использованы для построения и обоснования новых моделей турбулентности,что является важным моментом совершенствования математического моделирования турбулентных течений.

Реализация -результатов.Отдельные научные результаты диссертации положены в основу отраслевых руководящих материалов (МЛ-51-6-3432-71 и МЛ-51-6-3475 "Определение теплозащитных свойств материалов на электродуговой установке "-предприятие п/я Р-6799КС помощью созданных методов расчета течения и теплообмена осуществлено проектирование тепловых стендов и установок для испытания внедренных в практику исследований предприятия п/я Р-6739.Часть из них представлена как рекомендации при ведении технологического процесса напыления карбида циркония на сетки генераторных ламп (предприятие А-1568).Получено три авторских свидетельства.Первичный экономический эффект от внедрения результатов работы за 1972-1977г. составил 127 тыс.руб.

Автор защищает:

- Ощие положения о определяющем вкладе внешней турбулентности в механизм усиления процессов теплопереноса в пристеночных областях для до- и сверхзвуковых изотермических и неизотермических струй газа и плазмы, взаимодействующих с преградами.

- Полуэмпирические зависимости для определения внутренней микроструктуры потока в пристеночных областях и универсальные критериальные соотношения для расчета теплообмена в импактных струйных системах; количественные оценки влияния концентрации

дисперсной примеси на усиление теплообмена в пятне нагрева преграды.

-Численное моделирование течения и теплообмена в струйных системах с использованием модели турбулентности,построенной на основе анализа измерений структуры турбулентности,а также параметрическое исследование влияния перегрева и спутности на характеристики затухания свободных струй газа и плазмы.

-Новые закономерности и эффекты, связанные с возникновением автоколебаний в системе струя;-преграда: классификацию режимов обтекания преграды когерентными структурами и область существования автоколебаний;опытные данные по теплообмену и эмпирические зависимости для его расчета с учетом случайной и периодической составляющих (дозвуковое обтекание);ударно-волновую картину течения перед ограниченной преградой в условиях спутного потока и разреженности среды;фазовые,амплитудно-частотные характеристики автоколебаний и эмпирические соотношения для их определения (сверхзвуковое обтекание).

-Методы расчета теплообмена в импактных струйных системах и способы организации течения в них для целей управления характеристиками и интенсификации теплообменных процессов в пристеночных областях.

Апробация работы.Основные результаты работы докладывались на 1У-УП Всесоюзных конференциях по тепломассообмену в 1972-1984 г. (Минск).Минском международном форуме по тепломассообмену (1988 г. Всесоюзной конференции по струйным течениям жидкостей и газов (Но вополоцк,1982 г.),УП-ХУ Всесоюзных семинарах по газовым струям в 1970-1990 г. (С.-Петербург) ,Х1У Всесоюзном семинаре ИТПМ СО РАН (Новосибирск,1987 г.);П Республиканской конференции "Совершенство вание теории и техники тепловой защиты энергетических устройств" (Еитоыир,1990 г.),УШ Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск,1991 г.).

Публикации .Материалы диссертации опубликованы в 27 статьях; получено 3 авторских свидетельства.

Объем и структура работы.Диссертация состоит из введения,шести разделов,выводов и приложений.Основная часть работы содержит 201 страницу текста,121 рисунок ,12 таблиц и список литературь из 224 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность и целесообразность проведения исследований,направленных на создание методов расчета течения и теплообмена в импактных струйных системах в условиях сильного влияния начальных возмущающих факторов (турбулентность,неизотермично сть,сжимаемость,разреженность среды и.т.п.).Отмечается, что наиболее разработаны в теоретическом и экспериментальном плане вопросы влияния неравномерности распределения газодинамических параметров и степени турбулентности на процессы теплопереноса в струях,взаимодействующих с преградами (Дыбан Е.П.,Мазур А.И.,Савин В.К., Эпик Э.Я.,Юдаев Б.Н.-физическое моделирование,анализ процессов турбулентного переноса и некоторые полуэмпирические метода рас-чета;Еелов И.А. .Гинзбург И.П. .Коловандин Б.Н. и др.-методы математического моделирования турбулентных течений,построение моделей турбулентности и вычислительный эксперимент1.Показано,что известные методы расчета для изотермических несжимаемых течений неприменимы в сложных условиях,а имеющаяся в литературе информация одно-стороння и противоречива.Практически отсутствуют исследования по влиянию фаз на теплообмен в двухфазных струйных системах плазмы (за исключением работы Осипцова А.Н. для потока газовзвеси).Отмечен существенный вклад Абрамовича Г.Н.,Гиневского A.C.,Гиршович Т.А. ,Гавина Л.Б. ,Лаатса U.K. ,Фришмана Ф.А. ,Ерайбера A.A. в разработку теории турбулентных струйных течений.

Среди многочисленных исследований автоколебаний в сверхзвуковых импактных струйных системах приоритет принадлежит Дулову В.Г., Глазневу Б.Н. ,Ускову В.Н. (эксперимент,физические и математические модели,приближенные методы расчета1).В числе публикаций,посвященных разностному моделированию нестационарного взаимодействия,выделены работы Альбазарова Б.Ш. и Рудакова А.И. ,1.!олдесон Г.В. и Стасенко А.Л.Однако,несмотря на многолетнюю историю изучения автоколебаний, исследователи не пришли к единому мнению о механизме их возникновения и подцержания.Не выясненными являются и вопросы,связанные с влиянием спутного сверхзвукового потока и разреженности среды на автоколебания.

Сформулированы методы организации течения и теплообмена на поверхности преград для целей управления локальными (интегральными) характеристиками и интенсификации теплообменных процессов.

Определены цель и задачи диссертационного исследования и кратко изложены основные положения,выносиьше на защиту.

В первом разделе сформулированы основные представления о течении и теплообмене в турбулентных импактных струйных системах. В отличие от перечисленных выше»исследования направлены на углубленное изучение микроструктуры турбулентности в областях торможения струи на преграде и ее влияния на процессы теплопереноса.Полученные данные использовались при численном моделировании обтекания преград.

В результате обширных измерений осредненных и пульсационных скоростей построена геометрическая модель растекания турбулентной струи по преграде (рис.1 -для 2,2£ Н^я^).согласно которой основная перестройка течения от затопленной струи к пристеночной происходит в области взаимодействия,ограниченной полусферой радиуса Гч«' 2,2 (все линейные размеры отнесены к радиусу среза сопла) с ■ центром в точке торможения.В ней можно выделить три характерные зоны:зону деформации ядра постоянных скоростей;зону разворота вязкого смешения,где осредненная скорость V и среднеквадратическая величина продольной компоненты пульсации скорости (.¿¿'= V/<иг> ) определяются аппроксимационными зависимостями

и пристеночный пограничный слой.Из анализа результатов настоящего исследования по микроструктуре в характерных областях течения следует,что:

-для свободной затопленной струи и области,расположенной выше сечения у =2,2,распределения продольного ^.и поперечного Rfr коэффициентов корреляций носят автомодельный характер (рис.3,в-кривая 14) и обобщаются зависимостями

(2 /.¡о*!- ^

изменение спектральной плотности (£)(нормированного энергетического спектра для пульсации Ч ) для всего исследованного диапазона частот у автомодельно (рис.2,в-кривая I) и может быть найдено по соотношению Г "и 1-7

Я<ху-

(3)

■WWrM

Рис.I.Геометрическая модель растекания струи по преграде (Н=б'1. Эксперимент: 1-6:9-Попел, Трас.Расчет":7-по ( I );8-(2 1

Рис.2.Нормированный спектр пульсаций скорости.а-область ззаимодей-ствия(3: Va =8;16м/с;Н=8;1б; Ц =GX2 -2;г =0-2.81;в-свободная струя (о: х =0-14:л =0-1,664 и пограничный слой (5:н=1-16:у =0.1-1 Л мм:г = 0,8-61;Расчет:!-по I 4 ' b !

Рис.3.Распределение коэффициентов корреляций (б,в1 и интегральных масштабов' (а) в импакткой струйной системе, а,о-пограничный слой (1-13:Н=1-30; Т =1,6-101;в-область взаимодействия (16: У- =0,5-21 и свобод-ная_струя (17:х=0-14/"=0-1.661-Расчет 14-по ( 3 1;15-( 5 1

Ти,-Г

Рис.4.Характеристики тепло-переноса' в пристеночном пограничном ллое.Зкспепимент-=4,4•10:3-Н=1: £j =0.016; 4-2:0,02;5-6;0,0¿a:6-l0: О,065:7-16:0,2;8-32;0.0b; /?еа =1,2-10*:9-10;0,065; Расчет:1-по ( 7 1

1 а) ÍV- •^■'0,- -гол 1 IS)

0,3

úOt" !

3.Z

о,1* 2,

os

-для области взаимодействия (у< 2,2) опытные значения коэффициентов ; и (рис.З,в-штриховка 16) не обобщаются едиными корреляционными функциями и лежат между кривыми (3) и

<5'

(рис.3,в-кривая 15)¡нормированный энергетический спектр в области высоких частот не универсален (рис.3,а):опытные значения располагаются между спектральной функцией (4) и

(о) (6)

-для динамического пристеночного пограничного слоя (ПС) изменение (рис.3,6) определяется соотношениями:(3) (при перемещении подвижного датчика от преграды) и (5) (при перемещении к ней)нормированный спектр автомоделей и может быть найден по (4) (рис.2,в).

Величины продольных и поперечных /,/-( ¿/у ) интегральных масштабов турбулентности,входящие в (3) и (5).определялись интегрированием соответствующих корреляционных функций.Для них (масштабов) указаны аппроксимирующие зависимости.Установлено,что поперечный масштаб /^ (рис.3,а-темные значки) в пристеночном ПС постоянен и имеет порядок толщины ПС,а продольный- ¿/г (светлые)-значительно ее превосходит.Отмеченное свидетельствует о глубоком проникновении крупномасштабных (энергосодержащих) вихрей струйного потока в ПС.

Показано,что течение в пристеночном ПС в окрестности точки торможения имеет сложный и противоречивый характер.Наличие отрицательного градиента давления на преграде стабилизирует течение в ПС и делает его малочувствительным к турбулентности набегающего поток так,что осредненные во времени характеристики (скорость,трение на стенке) удовлетворительно описываются известным решением для ламинарного ПС в окрестности точки торможения.Температурный ПС в качественном отношении соответствует турбулентному ПС на пластине,^ однако при этом максимальные значения пульсации температуры í = (рис.4,а).турбулентного потока тепла <(рис.4,б),а значит и диссипации турбулентной энергии,смещаются в центральную его часть.Указанные обстоятельства приводят к увеличению градиента осредненной температуры рис.4,в) вблизи стенки,а следо-

вательно- и теплоотдачи по сравнению с соответствующими величинам! в ламинарном ПС.Это увеличение зависит от интенсивности турбулент-

ности ¿s = u/ifg на внешней границе ПС и числа Рейнольдса #еа : оно тем больше,чем больше <Sj или (и) Rea .Распределение пульсаций температуры в ПС определяется зависимостью,вытекающей из данных термоанемометрических измерений:

i'*trdT/3y, (7)

где тепловой путь перемешивания £т аппроксим1фован как

?r/s = 0,39£ - ÛSSÇ Z+0,25? Ç3 (8)

(здесь § = У/S" » -толщина динамического ПС).Эксперименты по исследованию влияния 6 на структуру течения в пристеночном ПС преграды, обтекаемой струей в продольном направлении,позволили указать соотношение для расчета U.' внутри ПС:

где динамический путь перемешивания Си аппроксимирован как р" р / \ 0,39§ - 0,36§*+ 0,П|3" для |е[0;0,3]; си ~ = | 0,0875 для §е]0,3;1] . (10)

Анализом экспериментальных и теоретических исследований по влиянию турбулентности струи на процессы теплопереноса получено универсальное критериальное соотношение для расчета теплообмена в окресности точки торможения преграда

j/u=rfu0 {f + f,3f а]'"),

гда *u=oj63Pr0'%°'5; yVu^da/lw-,Pr=(cPj,u/}) ■Re-fid^-,

z 1 cO,5 w

0.^=0,^6. lfs [fivw) -параметр турбулентности. С помощью (III обобщаются практически все имеющиеся в литературе данные по теплообмену для струй и безграничных потоков (рис.5) в широком диапазоне изменения чисел ^=10^-10®.С учетом выражений для градиента скорости J2> параметр af примет вид:

a, = 0,36£ZR -для взаимодействия в пределах начального

участка струи ( Я £ 10'):

ai=Û1OS^&iH°' 7/?e%S -основного ( 12.? H i 32 );

2_ f,fS~ OS -

af=û0//4£ H Pea -основного ( 32 H 80 ),

^e Re^ Va ¿= uj{j ; для основного участка jh взят по данным Дыбан Е.П.,Мазур А.И.Изменение £ вдоль струи определяется найденными эмпирическими соотношениями.

Численное моделирование течения и теплообмена в турбулентных

(П)

и

импактных струйных системах проведено на основе решения системы уравнений ПС в форме Рейнольдса, замыкаемой моделью турбулентности (ЫТ):соотношений для коэффициентов турбулентной вязкости и температуропроводности ¿, з, л

%-<иг>/1ди/вф-!, ; (12)

построеннной в работе с помощью зависимостей (7),(9). В рамках метода локального подобия система уравнений несжимаемого ПС преобразована к виду

[('+'(И)

\{'/Рг+%)* {15)

где /(ф* У/и<г ; ЩИТ- Т„) ; ■ Ц - уЗ

(К=0;1); 3={Х+{ ;п/п определяет производную по ^ (0)-

осесимметричное (плоское) течение; 0

; =4^? ; (16)

(17)

с граничными условиями: Р = Р = 5 =0 при ^ =0; Р = 5 =1 при ^-»«г

Решение краевой задачи (14)-(15^ осуществлено методом пристрелки. При выборе недостающих начальных условий (решение задач Коши) применен метод Ньютона. Приводятся некоторые результаты численного исследования течения и теплообмена в импактных системах: I) продольное обтекание преграды струей для условий экспериментов автора-/8^=4,9 Ю4; €а =0,015 и 0,046 (рис.6 и 8); 2) поперечное обтекание кругового цилиндра турбулизированным потоком - эксперимент Хенерпа (рис.7). При этом для I- го случая

И12,А (к-01 г=0,: чл-ай,?; V,

для 2-го случая ЫТ(1)С (К=1; Г=0); ^¡/о и определены по (16;

' е°т - по (8). Расчетные данные и сравнение их с экспериментом свидетельствуют о том, что предложенная ЫТ адекватно отражает основные закономерности воздействия струйной турбулентности на харак-

Мц/А/ц

Рис.5.Обобщение опытных данных по теплообмену для импактных струйных систем:2,8-автор;1-Гардон;3-Ердлик ,Савин|4-Комфорт; 5-Белов, Терпигорьев;6-Аралов,Юдаев;7-Дыбан.Мазур ;Расчет:9-по ( II )

ЯТ „ .

-ьШТг

Рис.б.Злияние турбулентности на про-филь скорости в пограничном слое (а") и интенсификацию трения и теплообмена (61.Расчет=0,015:!-«£= 0,14;аг =2 44;2-0.35;4,26^3-I,38;14.85:са=0,046:4-0,о7; 6.65;5-0,91;12,ь;5-Блазиус; 10-числ.реш-е;х1-по ( 18 ); Эксп еримёнт: 7,8,9

А- 1-1.1 ¿1 1

БГЛ 1 LI

<

3- С{=005921{е°,г г 0-5 Д-6

Рис.7.Поперечное обтекание кругового цилиндра турбули-зироэанным потоком.1,2,3-эсперимент Хенерпа = 10000;£д=0,025;4-9 числ.расч.: 4;7-Ф=20°;ХЬ? =12000;5;8-40°; 44300;6; 9-60°;85300

¿X х^пГ

7-; с И ГС МО г

и \

^ \ \

*У

9-Ми^ 00296 Рг

ю*

0'

Рис.8.Трение и теплообмен в пограничном слое преграда, обтекаемой струей в продольном направлении.Расчет:!,7,10-числ.реше-е;4-эмпирика-аЕТор; Эксперимент:5-£а=0,046;6-0,015

теристики пристеночного ПС и процессы теплопереноса в нем.Это воздействие прежде всего проявляется в значительной заполненности профиля средней скорости и температуры (рис.6,а и 7) при одновременном утолщении ПС.Рост турбулентной вязкости и температуропроводности с увеличением параметра йг приводит к росту градиентов параметров у стенки,а следовательно- и к увеличению трения и теплообмена (рис.6,б и 7,6).Интенсификация трения и теплообмена для продольного обтекания преграды определяется аппроксимирующей численные расчеты зависимостью

£/<>. = ^^^(^)Г- (18)

где , = <7,332 Рг°,гЪЯе°'5.

Полученные результаты находятся в качественном соответствии с представлениями о процессах теплопереноса в турбулизированных ПС, описанных Э.Я.Эпик.

Во втором разделе критериальное соотношение (II) обосновывается для импактных струй плазмы.Для этой цели проведено детальное экспериментальное исследование течения и теплообмена при взаимодействии струй низкотемпературной плазмы гелия,азота,аргона,воздуха промышленных плазмотронов с перпендикулярной преградой в широком диапазоне изменения параметра перегрева:7 * 8^4 138 (3000 £ Та ^ 9000 К).С учетом эмпирически найденного выражения для у2> (II) преобразовано к виду

или для теплового потока

(Щ) К-Ь„)(1+0,6?€ ^ ) , (20)

где ; = сГ= "/^-Параметры набегающего

потока на расстоянии Н: рт , Ит , Нт , $ , £Т определяются из решения задачи о распространении существенно неизотермических струй газа и плазмы переменного состава методом интегральных соотношений. Численным анализом влияния параметров перегрева &д и спутности /77 на характеристики затухания затопленных и спутных струй указаны соотношения для их определения (длины начального участка,коэффициентов нарастания зон смешения и т.п.).

Сопоставление рассчитанных по (19),(20) и экспериментальных величин чисел Ли и рис.9-кривая I и значки 3-6) свидетельствует о удовлетворительном их соответствии (с погрешностью л/10^).

8т к

Рис.9.Обобщение данных по тепло обмену для импактной струйной системы плазмы для точки тор?.ю

нения. Эксперимент:5-азот.

=84;

6-азот,б1;7-атзгонггелий,/-138; 8-азот,84;9-азот,bl;Расчет:1-по ( 19 );2-Фей,Ридцел;3,4-по (20)

• -7 ▲ - /2 н\ 1 i

Д-/ о - /J \ 1

■ - Я Т - ГЦ ъ.! i

s з w

10 *а 52

ViDO-í

€)-?

Y// т.жш/ аз-9

JV/г

Рис.11.Влияние дисперсной примеси.на характеристики теплообмена в* точке торможения струи плазмы.содержащих частицы:ZrC (I,4-2j = i,23^; ASA (2,6-^=0.24-1.86^ и IrOz (5-га =0,41-1,85) ;3-2 = 0

Рис.10.Распределение теплового

потока в пятне напзевг

ст-

ctt о.Я

га Zf r/sr

руи плазмы. Оа =7-138^аргон, гелий,азот.Рас«ет:1-э по ( 2Р Эксперимент: 5-Н=Ю;7-20:8-33,3 9-53,4:10=67:Расчет по ( 20 ^ и ( 21 >:II-H=I0;I2-I3,3;I3-20; 14-33,3

ЯП

"5 2

а- 10,Впп/м ' Р—

Рис.12.Поток тепла в пятне нагрева преграды от дврсфаз-ных струй плазмы, а: 1,2-<5^ = 0,78-1,0.6',А£гОз ;3,4-0,4Ы,85; 1гОг ;5-Н=22,2;2?а =0,41-1,85; 2г0г ;б-расч.по (22 1;б-2г0,\

по ( 20 \Г ¿4 ^ Л 2^ };с-

гранулометрический состав порошков

'.р^мкм

Интенсивность турбулентности для горячих струй <£„ взята по данным Устименко Б.П.Распределение потока тепла, по радиусу преграды аппроксимировано зависимостью

> йй)=зен~°'77; ;Ю<н^б7. (21)

Применение соотношений (19)-(21) определяет теплообмен в пятне нагрева преграды (рисЛО-кривые 11-14) от струй плазмы.

В работе показано,что присутствие в струе дисперсной примеси резко увеличивает тепловой поток в окрестности точки торможения (рис.П-кривая 2) даже при относительно небольшой ( =0,24) начальной массовой концентрации частиц .Интенсивность изменения теплоотдачи в двухфазной импактной системе является следствием скоростной и температурной неравновесности течения в струях и зависит от ряда факторов (температуры,концентрации,фазового состояния примеси и т.п.),а также от характера взаимодействия частиц с поверхностью преграды.Указанное увеличение £ (оно достигает десятков раз) можно характеризовать коэффициентом усиления теплообмена К^ = Ят/ц^ »(кривые 4-6),где соответствует ^^.Распределение потоков тепла вдоль преграды с ошибкой ~ 10% обобщается эмпирической зависимостью

Я1Ят* [< + <*(гМг)2}~1 (22)

(рис.12-кривые 6) .справедливой для струй,несущих частицы ¿гОг и А£1рз ,в диапазоне концентраций 0,41^1,86 для крупности частиц =40-125 мкм.

.Пдлее анализируется влияние фаз (несущей-газовой и дисперсной-твердой или расплавленной) на процессы теплопереноса в окрестности точки торможения.При этом рассматриваются газодисперсные системы двух типов:I) изотермическая струя "газ-твердые частицы" (графит,тальк,стекло-экспериментальные данные Шимизу и др.); 2) струя плазмы "газ-расплавленные частицы" ( АЕ,03 » Ял^ , %гС -данные автора).Особенностью теплообмена в такой системе является то,что суммарный тепловой поток ^ можно выразить как

(23)

где ^ , £ -потоки тепла от дисперсной и газовой фазы в присутствии частиц,которые могут быть определены следующим образом:

> %

у-

,, ; № (Т; -Т„) * Щ . (24)

Влияние фаз друг на друга определяется не только величиной объемной концентрации примеси .которая из-за резного различия в физических плотностях несущей и дисперсной фаз очень мала 10"^ * 10"®), но и отношении характерного пути скоростной релаксации частицы к характерному масштабу задачи Ру ¡1 , где о у -расстояние на котором скорость свободно летящей частицы в неподвижной среде падает в е=2,71 раз. Так, если то даже при I

им можно пренебречь (С.К.Матвеев). Это означает, что влияние дисперсной примеси на тепловой поток через газовую фазу невелико. При этом должно соблюдаться условие: оС^ «т'т | ^ (%) >%'Щ.\ (Ю.М.Циркунов). Оценки, проделанные в работе, показали, что для рассмотренного диапазона параметров оно выполняется. Т.е. можно

Г*

полагать равенство потоков тепла £ и 00 . Об этом свидетельствуют и результаты (А.Н.Осипцов, МЖГ.-1985.-!Р5), из анализа которых следует, что в режиме инерционного осаждения примеси увеличение теплового потока от газовой фазы с ростом ёеа незначительно (по сравнению с Оно может составлять:ддя 1-го случая 46%, а для

2-го - (15-84)%.Таким образом,основной вклад в суммарный тепловой поток в критической точке будет вносить дисперсная фаза. Тогда, принимая а со г из (23) следует

Рис.13 иллюстрирует соотношение коэффициентов теплообмена от фаз Л^О^^о и Л//=( 9.У/2«, »определенных из (25). Анализ результатов свидетельствует, что поток ^ значительно превосходит поток ^„(до 5-6 раз). Так же были рассчитаны величины по (24) при К^ =0,5. Проделанная и подобным обркзом оценка потоков подтвердила правомочность (для практических расчетов) приближенного соотношения (251. Для определения теплообмена рекомендуется следующий метод расчета:I) определение чисто газовой струи

по (20^; 2) вычисление ^ по (24); 3) определение из (23); 4) расчет радиального распределения ^ по (22). На рис.12,б приведена иллюстрация определения ц в пятне нагрева преграды по предложенной методике.

В третьем -разделе приводятся результаты впервые поставленного и проведенного цикла исследований по влиянию когерентных структур (крупномасштабных периодических образований) слоя смешения на теплообмен при струйном обтекании преграды в широком диапазоне изменения дозвуковых чисел Маха:0,02-$"Ма^ 0,95. Значительное внимание

<

а + v г\ ♦

«А»

4 6 8 ¡0 £ 4 а>Ж 4 6 810

4 %Ж

Р(7)

О Я ¿А

{Ш

ЛШЛ

и 0,1тс

~а"~а. ' " '" "" ' "а а.

Рис.13.Поток тепла (коэффициент теплоотдачи^ от дисперснбй примеси для струй,содержащих твердые (а) или расплавленные (б) частицы а-111имизу:азот-графит, и^ =10 мкм;

£а =0,11-1,05:б-автор:азот-И2гЛ

или 1г0о,40*120 мкм, га =0.24-1,86; (6-10: Аег03;11-и:1г02 )

Ма

У.о

0,8 0,6

~Т

I- *

!

т—I—I—г

д -/

А-2

ос-3 о

В- 4

4 6 8 <061?е1

Рис.15.Область существования автоколебаний.I,2-Хо,Носьер; 3-Власов,Гиневский;4- автор;. 5-начало автоколебаний;7-границы интенсивных автокоде баний;8-критический режим

О 8 <6 J¡*ГЦ

Рис.14.Спекттзы пульсаций давления (а) и форма.колебаний давления на глэегтэаде (6Н/?£,1,=325000;МСТ =0,9: Г =2,12) 1-Н=4,8;2-5,6-3-7,4;4-8,8;5-9,4;6-^ ®

I_I_

уделено режиму автоколебаний (0,6 ¿.Ма£ 0,95) »возникновение которого фиксировалось в эксперименте по появлению мощных дискретных составляющих в спектре пульсаций давления на преграде и периодичности форш колебаний давления />(?) (рис. 14).Исследования по аэродинамике течения подтвердили известные особенности режима автоколебаний (Хо,Носьер;Власов Е.В.,Гиневский A.C.):валичие петли обратной связи;периодичность пульсаций давления на преграде с безразмерной частотой Sh^ jrda /у =0,3-0,4,где jr -частота первой дискретной составляющей спектра (рис.14,а),близкой к частоте следования когерентных структур слоя смешения свободной струи и т.п.Вместе с тем,получены и новые результаты:построена область существования автоколебаний в плоскости (ма; £eaj (рис.15); разработана классификация режимов взаимодействия при непрерывном удалении преграды от среза сопла.

Установлено,что в режимах устойчивого обтекания для больших дозвуковых скоростей когерентные образования не приводят к изменениям характеристик теплоотдачи (рис.16,а):распределения осреднен-ных во времени коэффициентов теплоотдачи с< вдоль преграда соответствуют распределениям оС .установленным автором ранее в разделе I для низкоскоростных несжимаемых струй.Рост турбулентности вдоль струи приводит к высоким значениям oim с максимумом при Н-16-18 (рис.16,д).В режимах автоколебаний не отмечено аномального поведения коэффициентов в точке торможения при вариации Н (рис.16,д).Тем не менее,присутствие интенсивных крупномасштабных тороидальных вихрей в области разворота внешей зоны смешения струи на преграде ( г =2,2-3,см.рис.1) проявляется в изменении периферийного максимума о<. (г =4).величина и положение которого зависит от Ма (рис.16,б-г).В режиме развитых автоколебаний для чисел Маха 0,8<Ма< I коэффициент с<- в периферийной области практичеси постоянен.Сохранение высоких значений сК на пернрерш связано с существенным уровнем пульсаций газодинамических величин, генерируемых когерентными структурами в области 2i 3 (рис. 17, а) .Анализ полученных результатов показал,что и для режима автоколебаний теплоотдачу от струи к преграде в окрестности точки торможения можно определить по критериальному соотношению (II) раздела 1,если использовать связь между пульсациями скорости и давления на преграде (рис.16,е).Разделяя эффекты от случайной - £т н периодической -£.'h составляющих пульсирующих величин,данные по

-■» <

ct-Ю, ВтЦп.к)

0.9

\ ? а а - 9 о - il О-Ю д-12

* X] -

аОЮ'.'Вт/ИУ-'х)

Рис.16.Тепловые характеристики взаимодействия струи с преградой в стационарном (а) и автоколебательном (б-г) режимах обтекания. а-Ма =0,5^^=156000; б-0,7:224000;в-0.8; 256000;г-0,9;290000 а-г -распределение по преграде :1-Н=4;2-6;3-8;4-Ю; 5-12;6-14;7-16;8-20 д-изменение^т в то= чке торможения от Н: 9-Ма =0,5;10-0,7; П-0,8;12-0,9;е-сопоставление чисел Нуссельта:экспер-х (13-Н=4:14-6;15~-8; 16-12;17-16^ и расчетных по ( II ) 118-<£л> =0:19-0.016; 20-0,021;21-0,028: 22-0,058;23-0,072)

ats

012

Рис.17.Интенсивность пульсаций давления на преграде в режиме автоколебаний (М"а =0,9;"Х'ео= oos 3250001Л-Н=4.8; 2-6; 3-8 ;4-Ю; ' 5-I4;6-20;7- г =0;8-2,7^;9-5;Ю-7,72 ■

Fso

' ' * < 67 ■ '" "s*- ^ s

\l J ^

в J^T 1

9-< 0-4 А-2 0-5 т-3 —S

1,

Shr6meea„

•л J 0-7 а-g о-<? Л.-/0

<П \

Рис.18.Обобщение опытных данных по теплообмену для струйной импактной системы в Режиме автоколебаний _ (Ма =0,9;/?е^ =2900001:1-Н= 4;2-6;3-8;4-12;5-16

теплообмену (для чисел Фреслинга) обобщены зависимостью (рис.18) вида

+ . (26)

В четвертом разделе исследованы особенности теплообмена в сверхзвуковых импактных струйных системах.Обобщение основывается на фундаментальных представлениях В.Н.Ускова о типах ударно-волновой картины (УШ) »реализуемой при торможении струи перед пре-градой.Установлено,что изменение характеристик теплообмена на преграде однозначно связано с режимом обтекания (его сменой) в условиях непрерывного удаления поверхности от среза сопла при фиксированных числах Ыа и нерасчетности п. (рис.19).Так в режиме радиального растекания (стационарное обтекание) при удалении Н наблюдается падение коэффициента теплоотдачи (осредненного во времени) в центре преграды (см..например,кривую 3) вплоть до насту-

пления первого режима автоколебаний (Н=Н//У ).Падение связано с уменьшением градиента скорости из-за увеличения отхода центрального скачка уплотнения (ЦСУ) от преграды.В режиме развитых автоколебаний (НУА, ^ Н</с ) о(т возрастает и достигает максимума (он расположен в середине рассматриваемой области и соответствует максимальным значениям амплитуды колебания ЦСУ и давления на преграде). Для течения с центральной циркуляционной зоной Ыт падает из-за резкого затухания пульсаций газодинамических величин.Дальнейшее увеличение расстояния Н приводит к плавному росту с^ при переходе от второго автоколебательного режима к течению с невоз-ыущенной первой бочкой.Для последнего (Н £ ) Ы^ постоянен.При расчете теплообмена в окрестности точки торможения в режиме стационарного обтекания использовано критериальное представление (II)

раздела I (правомочность его применения подтверждается рис.5), которое трансформируется как

], (27)

Зависимость (27) справедлива в диапазоне изменения параметров: Ма=1-3; П =1-20; =10^-10^.Выполнен большой цикл измерений характеристик турбулентности в сверхзвуковых нерасчетных струях.Показано,что величина <5 для окрестности точки торможения меняется

/О'3, Мм2к)

7

^/2 5

ул

тт

г-

о г /б /^ги

2

2 И<н 4 Ни

Рис.20.Спектры пульсадий давления Рис.19.Коэффициет теплоотдачи на преграде (Мд =2_^14,/7 =5, ¿Г =1,4 в центре преграды в зависимо- /?в1 =1350000).а-Г=2:1-Н=0,62;

лти т Ш I лпл «V •-« тч 1п,лплл л Лто_ г\ гч л л лл > ▼ л ^ ^ мм 1> я. -

10

п =з|7;4-2;2,^

14-32; 15-2, ¿7; 16-1,66; 17-0

/Ф

у ©г

А

/

¥

А

1-Й режим автоколебаний

Ма=2,14;/7 =5

07"

л /i л

/'/у I?

О? тс

жт

ш

Амтл шш\т

№

рр) С1тс „

г

ШгЩу

01тс „

02тс

Рис.21.Интегральный уровень пульсаций давления (а) и фаза колебаний (б,в) давления на безграничной преграде.I- ,

сигнал отфильтрован:режим пропускающего полосового фильтра на частоте }г ;б-/г =3,4 кГц;Н20,7;в-3,1 кГц;0,8

линейно от 0,05 до 0,45 при удалении преграды в пределах стационарного обтекания (0,25^И/х•< 1).При этом отмечается,что данные по теплообмену получены автором в ходе исследований,проводившихся совместно с Й.А.Беловым,В.С.Комаровым и В.С.Терпигорьевым.

Пятый раздел посвящен изучению автоколебаний в сверхзвуковых недорасширенныг импактных струйных системах. Расширены существующие представления о втором режиме автоколебаний для безграничной преграда:

-наличие единственной дискретной составляющей в частотном спектре,уровень превышения которой над общим широкополосным фоном (~ 10 * 15 дБ) значительно меньше,чем для первого режима автоколебаний («40 дБ) (рис.20,а-кривые б;2);

-отсутствие ярко выраженной периодичности формы колебаний давления р(Т){рис.22,б) на преграде из-за наложения пульсапий случайной (турбулентной) компоненты внутренней зоны смешения,сходящей с тройной точки струи;

-в распределении интегрального уровня пульсаций давления вдоль преграды Ы (рис.22-кривая 2) существует периферийный максимум, совпадающий с местоположением периферийного максимума статического давления (кривая I) (это утверждение справедливо и для первого режима автоколебаний-рис.21);разница уровней йС на периферии и в центре ~15 дБ.

В работе получены фазовые характеристики колебаний давления на преграде для первого и второго нестационарных режимов,ранее неизвестные в литературе.Из анализа результатов следует,что:

-фаза колебаний давления на периферии (кривые 1,2 для датчика I,рис.21,б) одинакова; 0 -колебания давления на преграде в зоне постоянного уровня д/-и за периферийным максимумом Д1~° происходят в противофазе;

-колебания давления в симметричных относительно оси точках преграды (рис.21,в,г) совпадают по фазе.

Указанные закономерности говорят о симметричном,продольном характере колебаний,а анализ полученных результатов свидетельствует в пользу автоколебательной природы нестационарных режимов.

Для ответа на вопрос о каналах прямой и обратной связи,через которые осуществляется поддержка колебаний,поставлен специальный эксперимент,в котором из-за спутного сверхзвукового потока не существует обратной акустической связи с помощью акустических волн,

¿Об

П-й режим автоколебаний

М_=2,14;/7 =5;

#=1,38;

с =2,6 кГц

'г

Рис.22.Интегральный уровень пульсаций давления (а1 и фаза колебаний давления (б") на безграничной преграде.

М =2;М-=2,365;/7 =1,74; Б„ =2,£

в-д: Н°=0,573 е-з: Н°=1,324 и-л: Н°=1,378

1 - граница стр ги 2' ¿</сгугл/ глАот^енир

3- ЦСУ

4 • о/поаэ*енчыО с*ачок уплотнении

лоисссдине**«ая ударная болна

5- отошедшая гдарнаа болма резгльлги/зуюшм (рро*/п /- сопло 9 • преграда

а-струя в спутном потоке в,е,и- ударно-волновая картина обтекания преграду ;б,г,д,ж,з,к,л-амплитудно-частотные характеристики пульсаций давления на преграде

О* Об ¿Л,.

Рис.23. Влияние спутного сверхзвукового потока на автоколебаш

распространяющихся по окружающему пространству к кромке сопла. Описана качественная картина обтекания преграда ограниченных размеров при непрерывном ее удалении от среза сопла (рис.23).Впервые доказано возникновение автоколебаний в данных условиях.При этом в частотном спектре пульсаций давления в центре преграда появляются дискретные составляющие (рис.23»ж)»значительно,на 30*40 дБ,превышающие уровень сплошного спектра струи.Колебания давления в точке торможения детерминированы и носят периодический характер (рис. 23,з).Однако в спектрах звукового давления (штриховая кривая-ж) дискретные составляющие отсутствуют,а колебания давления в окружающей среде,фиксируемые микрофоном,имеют случайный характер. Спектрограммы идентичны спектрограммам шума свободной струи (рис. 23,6).

Эти результаты являются фундаментальными и носят принципиальный характер при анализе механизма поддержания нестационарного те-чения.Не отрицая влияния внешней акустической связи на характеристики автоколебаний (Глазнев В.Н.) показано,что не она играет главную роль в поддержании нестационарного течения.Ее выполняют ударно-волновые процессы в ударном слое перед преградой.

Для разреженной импактной струи впервые установлено два типа обтекания ограниченной преграды :один,когда одновременно существуют первый (I) и второй (П) режим автоколебаний;друтой,когда присутствует только 1-ый,как и в случае плотных струй.Реализация любого из них зависит от сочетания параметров Ма,Н° =Н/(а!аМа ^{п ) и /?е¥ (Р0/РН)~°,5.В свою очередь,первый режим (рис.25,а,в) характеризуется наличием кратных дискретных тонов в частотном спектре (рис.26,а) »мощным колебанием УШ (рис.24,а) и давления (рис.26,б) на преграде большой амплитуды и сравнительно низкой частоты.Колебания имеют ярко выраженную периодическу структуру. Режим протяасенен по Н°.Второй (рис.25,б,г)»значительно меньший по уровню й1* и протяженности Н° (в три раза по отношению к 1-ому), характеризуется единственной дискретной составляющей частотного спектра (рис.26-кривыа 7-9),умеренным колебанием УШ и давления на преграде.Режим чувствителен к изменению параметра разреженности $еи .

Уменьшение чисел Йе^ 371 (увеличение разреженности)»наряду с количественным изменением протяженности областей существования автоколебаний,мохет привести к исчезновению сначала П- го,а затем

/3 /5,6

Рис.24.Удашо-волновая картина перед ограниченной преградой,обтекаемой недорасширенной разреженной струей (Мя=2; У =1,4).а-Х'е,=371;/7 =13,5;б-162;2,6

6.9 й,5 Ю Н

5 Ю <5

Рис.25.Интегральный уровень (а,б) и частота (в,г) пульсаций давления в_центре преграды в зависимости от удаления Н(Н°1.а,в-£е = 165;/? =5,1;б,г-184;7,5

Рис.26.Спектр (а) и форма колебаний (б) пульсаций давления в центре преграды при удалении ее от сопла Н. кривые 1-9 соответствуют расстояниям Н рис.25,г

и I- го режимов.Это связано как с переходом к так называемой X-образной структуре ударных волн в разреженной струе (рис.24,б), так и с "размыванием" УШ первой бочки струи.В работе показано,что при Re^YTZ (диапазон П =6,6-2,6) существует единственный (1-ый) режим,а для ReL< 121 автоколебания не обнаружены.Исчезновение 11-ого нестационарного режима обусловлено уменьшением поперечного размера ударного слоя (уменьшением диска Маха в струе) при переходе к регулярной структуре ударных волн.

Анализ частотных характеристик автоколебаний в импактных струйных системах позволил обобщить полученные автором и имеющиеся в литературе данные универсальной зависимостью для безразмерной частоты (числа Струхаля) вида

^rf=ac/ffrc¿a^)-A¿ú/(da^/n)*3i , (28)

где коэффициенты A: ,B¿ соответствуют номеру режима нестационарного обтекания:а)безграничная преграда- А^ =4,1;В< =0,6;Аг =1,9; Bz =0,1;б)конечная преграда,разреженная струя- А^ =4,3;В,= 1,2;А2 = 1,3;В2 =1,4;в)конечная преграда,спутный поток- А, =3,6;В< =1,3. Рис,27 иллюстрирует сравнение опытных данных с расчетом по (28).

В шестом -разделе рассмотрен круг новых задач,которые сформулированы как задачи организации течения и теплообмена на поверхности обтекаемых преград для целей управления локальными (интегральными) характеристиками и интенсификации теплообыенных процессов. Указаны пути применения подученных результатов на практике в различных энергетических и технологических процессах.Так обобщение теплообмена для сопловых крышек установок для испытания T3¿ (рис. 28) успешно проведено по критериальному соотношению (II).Установленные физические представления о течении в ограниченном объеме и разработанный метод расчета теплообмена позволили предложить способы регулирования уровня тепловых нагрузок при испытаниях теплозащитных покрытий (ТЗП).

Оптимизацией течения и теплообмена в импактной струйной системе с периферийным максимумом скорости на срезе сопла достигнуто 4096 увеличение среднего коэффициента теплоотдачи d по сравнению с обычный круглым соплом (рис.29).

Сформулирована и решена задача о движении и нагреве частиц примеси в струе плазмы.Использован траекторный подход.При этом в отличие от существующих постановок,где параметры етруи,как пра-

5А

• -автор V - Собколов I -Набережнова_ Нестеров

автор /спутный поток/ I

ДАД^эП® -Остапенко Солотчин

А Ул 1 5

"г 1 Автор

И

ол

о.а

—1-р

автор-' Усков.Сеш »Фаворский-®©^ шетенко-оэф^Д* ■

ом

о,г /,г 1,6 ^{¿¿[п)

Рис.27.Обобщение данных по частотам автоколебаний в сверхзвуковых импактных струйных системах.а-безграничная преграда;б-ограниченная преграда,разреженные струи;в-ограниченная,спутный поток и*без него;1-й режим автоколебаний,П-й режим автоколебаний:расчет по ( 28 )

/А

1,2 1,0

Л ■—

¥ » /

Рис.28.Обобщение данных по теплообмену в окрестности точки торможения сопловой крышки установок для испытания ТЗМ. значки-экспер.:Н=1,4-12; сТ* =14-130: Г =1,2-1,4; Расчет по ( II ;:4-£* = 0,02;5-0.03;6-0,06;7-0,085;8-0,14;9-0,23;10-0 32

Рис.29Интенсификация теплоотдачи в импактной струйной системе с периферийным максимумом скорости на срезе сопла.1-'Ц/^=4;с^/Ь//=0,5; 2-2;0,5 _

& Н/Г2

2 _

Рис.30.Температура, скорость и траектория частицы ~А£цОз вдоль струи плазмы при поперечном и продольном вдзувах (Ура=4 м/с-попер-й:

^»2,5,6,9,10 -поперечный вд/в "0.4

6,10-50 мкм

е

/ \ 8

—«к ^—!__

20 40 X

¿й

3,4,7,8,11 -продольный

вило,задаются зависимостями (например, скорости и температуры вдоль оси струи), решение ищется во всем расчетном поле струи (раздел 2). Предложены рекомендации по оптимальному вводу частиц в струю плазмы для конкретных параметров технологического процесса напыления тугоплавких покрытий. Рис.30 иллюстрирует нагрев частиц АВ203ъ воздушной струе плазмы с параметрами:Та=4800 К; 1Га = 497 м/с; ¿2^=9 мм. Также приводятся примеры практического использования результатов для автоколебательных импактных струйных систем.

ВЫВОДЫ

1.Сформированы общие положения о влиянии внешней турбулентности на интенсификацию процессов теплопереноса в пристеночных областях для до- и сверхзвуковых изотермических и неизотермических струй газа и плазмы, взаимодействующих с преградами; установлен определяющий вклад турбулентных пульсаций в механизм теплообмена на обтекаемых поверхностях. Подобный подход позволяет обобщить практически все имеющиеся данные по теплообмену для импактных струйных систем в условиях сильного влияния начальных возмущающих факторов (турбулентность, неизотер-мичность,' сжимаемость и т.п.).

2.Найдены критериальные соотношения для расчета трения и теплообмена на поверхности преград, универсальность которых обоснована в широком диапазоне изменения определяющих параметров: Ыа=0,02-3;/г=2-30; Та=290-3000 К; Яе =Ю4-Ю7. Критериальная зависимость (19) для точки торможения в сочетании с иными установленными соотношениями для распределения характеристик теплоотдачи вдоль преграды позволяет также определить поток тепла от газовой фазы при анализе и расчете теплообмена в двухфазной им-пактной системе плазмы.

3.Построена новая модель турбулентности, учитывающая влияние внешней турбулентности на переносные свойства пристеночных пограничных слоев. Она положена в основу численного исследования течения и теплообмена при обтекании преград. Указаны новые аппроксимирующие численный эксперимент соотношения для расчета теплообмена.

4.Получены полуэмпирические зависимости для определения структуры турбулентности в свободных затопленных струях,в области взаимодействия, в пристеночном динамическом и тепловом пограничных

слоях импактных систем. Эти результаты является вкладом автора в дальнейшее развитие теории турбулентности струйных потоков.

б.Выполнен анализ влияния концентрации дисперсной примеси на характеристики теплообмена в двухфазной импактной струйной системе плазмы.Установлены соотношения потоков тепла от дисперсной и газовой фаз в газодисперсном потоке типа "газ-расплавленные частицы"¡разработан метод расчета теплообмена в пятне нагрева преграды.

б.Проведено численное параметрическое исследование влияния спут-ности (0^/772) и перегрева (0,52^ 8а $ 138) на характеристики затухания (длину начального участка,коэффициенты нарастания зон смешения и т.п.) струй газа и плазмы переменного состава. Для них получены новые аппроксимирующие расчеты зависимости, справедливость которых подтверждена значительным количеством экспериментальных данных,известных в литературе (включая и работы автора).

7.Обнаружены неизвестные ранее особенности,вызванные влиянием когерентных структур слоя смешения на локальный теплообмен в режиме автоколебаний;длн дозвуковых струй он реализуется в диапазоне чисел Маха 0,6,$: Ма$ 0,95 и определяется областью существования (ма; .Указано соотношение (26) для определения чисел Фреслинга с учетом случайной и периодической составляющих пульсирующих величин.

8.Новые закономерности и эффекты автоколебаний найдены при обтекании сверхзвуковыми недорасширенными струями преград ограниченных размеров:

-впервые доказано возникновение автоколебаний в спутном сверхзвуковом потоке;этот результат является фундаментальным и носит принципиальный характер при анализе механизма поддержания нестационарного течения;не отрицая влияния внешней акустической связи на характеристики автоколебаний,показано,что не она играет главную роль в поддержании нестационарного взаимодействия;ее выполняют ударно-волновые процессы в ударном слое перед преградой;

-для разреженных струй впервые обнаружен второй режим автоколебаний (в отличие от плотных струй) в пределах первой бочки струг выявлены параметры,при которых реализуется только первый,либо первый и второй режимы автоколебаний одновременно¡исследовано

влияние чисел ReL на существование автоколебаний. Для обтекания безграничной преграда плотными струями получены фазовые характеристики колебаний.ранее не описанные в литературе.Указаны обобщающие эмпирические зависимости (28) для расчета частотных характеристик автоколебаний в рассмотренных импактных струйных системах.

9.Разработанные способы организации течения и теплообмена для целей управления и интенсификации теплообиенных процессов в свободных струях и импактных системах позволяют: -обеспечить максимальный нагрев (теплосъем) поверхностей как за счет турбулизации струй,так и за счет организации устойчивого циркуляционного течения;режим работы соплового устройства,формирующего на срезе сопла профиль с периферийным максимумом скорости,при котором достигнуто 4056 увеличение среднего коэффициента с< (по сравнению с обычным соплом).следующий: sn = L^/J^ = 4;i? = df/dz =0,5 и Н=2-4;

-осуществить регулирование уровня тепловых нагрузок при испытаниях T3IJ в стендах и установках,использующих открытые струи плазмы и ограниченные объемы при повышенном давлении; -с помощью разработанного метода расчета движения и нагрева частиц примеси в струе найти оптимальные режимы ввода частиц в струю,обеспечивающие требуемый нагрев и распыление примеси в задачах плазменной обработки материалов и нанесения покрытий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛШОВАНЫ В РАБОТАХ :

1.Белов И.А.,Горшков Г.Ф..Комаров B.C.»Терпигорьев В.С.Экспериментальное исследование газодинамических параметров при струйном обтекании преграда//Изв.АН CCCP.MST.-I97I.-K.-C.I39-I42.

2.Белов 0.А..Горшков Г.Ф..Комаров B.C..Терпигорьев B.C.Экспериментальное исследование теплообмена дозвуковой струи с нормально расположенной плоской преградой//ИЕК.-1971.-Т.20,!К5.-

С.893-897.

3.Белов И.А..Гинзбург И.П..Горшков Г.Ф..Комаров B.C.,Наев М.М., Терпигорьев B.C.K вопросу экспериментального исследования теплообмена в установках для испытания ТЗМ//ЙНК.-1972.-Т.23,

-С.988-992.

4.Белов И.А.,Гинзбург И.П..Горшков Г.Ф.»Комаров B.C..Терпигорьев В.С.Вопросн теплообмена струй с преградой//Тепло- и массо-

перенос:Ыат-лы к 1У Всесоюзн.совещ.по тепло- и массообмену (Минск, 1972).-Минск: ИТЫО АН БССР.-I972.-T.1,4.2.-C.27I-28I.

5.Белов И.А. »Горшков Г.Ф. »Комаров B.C.,Терпигорьев B.C.Влияние струйной турбулентности на течение в пристеночной пограничном слое/ЛШТФ. -1972. -№6. -С.77-82.

бГоршков Г.Ф..Комаров B.C.»Терпигорьев B.C.Некоторые результаты измерения средней и продольной компоненты пульсации скорости на начальном участке осесимметричной дозвуковой струи//Гидромеха-ника и теория упругости:Ме2зуз.научн. сб.-Днепропетровск :ДГУ.-1973.-Вып.16.-С.46-52.

7.Горшков Г.Ф.»Комаров В.С.,Ыаев М.М.»Терпигорьев В.С.Метода интенсификации теплообменник процессов при испытании теплозащитных материалов//®!.-1973.-Т.25»!£3.-С.403-408.

8.Велов И.А.»Гинзбург И.П.»Горшков Г.Ф.»Терпигорьев B.C.Течение и теплообмен струи низкотемпературной плазмы,взаимодействующей с преградой//Теплоыассообмен-У:Мат-лы к У Всесоюзн.конф.по тепломассообмену (Минск,май 1976).-Минск:ИШ0 АН БССР.-1976.-Т.1,Ч.2.-С.131-139.

Э.Горшков Г.Ф.»Терпигорьев B.C.О закономерностях распространения турбулентных струй вязкой жидкости переменного состава//®!. -

, 1979.-Т.36,!Р1.-С.75-79.

Ю.Горшков Г.Ф. »Терпигорьев B.C.Расчет основного участка турбулентной неизотермической струи переменного состава,истекающей в затопленное пространство//®!.-1979.-Т.36,85.-С.885-890.

П.Белов И.А.»Горшсов Г.Ф.»Терпигорьев B.C.Процессы теплопереноса а микроструктура пограничного слоя в окрестности точки тормо-хення при струйном обтекании преграды//Тепломассобмен-У1: Мат-лы У1 Всесоюзн.конф.по тепломассообмену (Минск,сентябрь 1980).-Минск: ИШО АН БССР.-1980.-Т. 1,4.2.-С. 13-17.

12.Белов И.А.,Горшков Г.Ф.»Терпигорьев B.C.Течение и теплообмен при обтекании преграды коаксиальными струями//ISS.-Т.38,№1.-1980.-С.38-43.

13.Горшков Г.Ф. К расчету теплообмена в окрестности точки торможения при обтекании преграды плазменными потоками//Фнзика и химия обработки материалов. -1982. -4Р6. -С. 18-21.

14.Горшков Г.Ф. Микроструктура потока в области взаимодействия струи с преградой//Струйные течения жидкостей и газов:Тез. Всесоюзн.научн.конф.(2-5 июля 1982,Новополоцк).-Новополоцк:

НПИ. -1982. -Ч'.' I. -С. 122-128.

15.Горшков Г.Ф.»Терпигорьев В.С.Расчет начального участка турбулентной неизотермической струи переменного состава,истекающей в затопленное пространство//Физика и химия обработки материалов .-1983.-Р5.-С.46-50.

16.Горшков Г.Ф. Исследование пристенной турбулентности при струйном обтекании преграды//ПМТФ.-1984.-К2.-С.73-82.

17.Горшков Г.Ф. Анализ влияния струйной турбулентности на теплообмен в пристеночном пограничном слое преграды//Тепдомассооб-мен-УП:Мат-лы к УП Всесоюзн.конф. по тепломассообмену (Минск, май 1984).-Минск :ЖМ0 АН БССР.-1984.-ТЛ,4.2.-С.69-73.

18.Горшков Г.Ф. Распространение спутных неизотермических струй газа и плазмы переменного состава//Динамика неоднородных и сжимаемых сред:Межвуз.сб./Под ред.Н.Н.Подяхова.-Л.:ЛГУ.-1984.-С.164-175.

19.Горшков Г.Ф. Исследование влияния дисперсного компонента на характер теплообмена при обтекании преграды гетерогенной струей//ПМТФ.-1986.-1Р6. -С. 63-68.

20.Горшков Г.Ф.»Иванов В.Д.Влияние начальной концентрации дисперсной компоненты на тепло- и массообмен при струйном обтекании преград//Динамика однородных и неоднородных сред:Межвуз.сб./ Под ред.Н.Н.Поляхова.-Л.:ЛГУ.-1987.-С.3-9.

21.Горшков Г.Ф. Течение и теплообмен при взаимодействии сверхзвуковых недорасширенных струй с нормально расположенной плоской преградой//Газодинамика и акустика струйных течений/Сб.научн. трудов.-Новосибирск:ИГПМ СО АН СССР.-1987.-С.20-26.

22.Горшков Г.Ф. Особенности теплообмена при дозвуковом струйном обтекании преграды на режиме автоколебаний//Тепломассообмен. ММФ:Тез.докл.Минского международ.форума (Минск,май 1988).-Минск:ИГМО АН БССР.-1988.-Т.1.Ч.2.-С.28-30.

23.Горшков Г.Ф. Влияние когерентных структур на течение и теплообмен при дозвуковом струйном обтекании преграды в режиме ав-токолебаний/ЛЗром. теплотехника. -Киев:Наук. думка. -1989. -Т. II, Ж.-С.20-27.

24.Горшков Г.Ф. Анализ теплообмена при обтекании преграды двухфазной струей типа "газ-твердые или расплавленные частицы"// Совершенствование теории и техники тепловой защиты энергетических устройств:Тез.докл.П Респуб.конф.(Житомир,сентябрь 1990).-Кнев:НТК ИГТФ АН УССР.-1990.-С.77-78.

25.Горшков Г.Ф. ,Усков В.Н. »Ушаков А.П. Автоколебательный реши взаимодействия недорасширенной струи с преградой при наличии сверхзвукового спутного потока//ПМТФ.-1991.-Р4.-С.50-58.

26.Горшков Г.Ф. Теплоперенос при взаимодействии с преградами двухфазных неравновесных струй плазмы промышленных плазмотроноЕ //Физика низкотемпературной плазмы:Мат-лы УШ Всесоюзн.конф,-Минск:АНК ИГМО АН БССР.-I99I.-4.3.-C.127-128.

27.Горшков Г.Ф. Процессы теплопереноса при обтекании преград газодисперсными струями,содержащими твердые или расплавленные частицы//Пром. теплотехника. -1991. -!Р5.

Авторские свидетельства

28.А.с.73456 СССР//В.С.Терпигорьев,М.Ы.Ыаев,А.М.Кулик,A.M.Иванов, Г.Ф.Горшков,В.С.Комаров (СССР).-1972.

29.А.С.399686 СССР Горелочный насадок для бытовых газовых плит// И. А. Белов, И.-Г.Ф.Гинзбург,Г.Ф. Горшков,В. С.Комаров,В. С.Терпи-горьев (СССР 4-Опубл.03.10.1973.Еюл. £39.

30.А.с.1207385 СССР Распылитель плазменный//Г.Ф.Горшков,С.Й.Еигач (СССР).-1984.

Условные обозначения

ДГ, г ( г , ^ или ОС, ¿/ )-продольная и поперечная струйная (ПС) координаты; d-диаметр; S, Z -ширина динамической зоны смешения; Л -отход ЦСУ от преграды; а. -скорость звука; §> -плотность; 2 -коэфф. теплопроводности;^,V -коэфф.динамической и кинематической вязкости; CpS -физическая теплоемкость материала частицы; h -теплосодержание; ва = ^а//1и ; =0,5(f£/" )а-динамический напор; Cj =_

ZZw/(fU% -коэфф.трения; yVfi/J * q^yVUsftxvii= числа подобия: Рех=1Гх> /]) -Рейнольдса; Лих= dvc -Нуссельта; Fs * Miреслинга; Prr = [и /¡fr -Прандгля;индексы: а-срез сопла;к-канал,конечный; w -стенка;н-наружный»начальный;т-тепловой,турбулентный; S -внешняя граница ПС; гп -вдоль оси; * -критический,перехода; °о -спутный; р -част1ща; -ыаховский диск о-торможение,модифицированный и пр.;2-за ЦСУ;1-до него; та -внут-

РГПУ

зак. ЗчО..

тираж 100 экз. Бесплатно