Экспериментальное исследование структуры свободноконвективного пограничного слоя при переходном и турбулентном режимах течения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ •

На правах рукописи

КУЗЬШЩКИЙ Олег Алексеевич

УДК 536.25:533.6

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СВОБОДЖКОНЗККШВгЮГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ГВ1 ПЕРЕХОДНОМ И ТУРБУЛЕНТНОМ РШШХ ТЕЧЕНИЯ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Ленинград 1990

Работа выполнена на кафедра гвдроаэрвдинамика Ленинградского государственного технического университета

Научный руководитель - кандвдат физико-математических наук, * доцзнт Ю.С.ЧУЖКОВ

0(Тяциальня8 оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор И.А.Белов,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ¿иД.Лигвш

.Ведущая организация - ЦКТИ им.И.И.Ползунова

Защита состоится " 1% " /уг^ь:а^рД. 19эо г, в часов на заседания специализированного совета Д 063.38.15 яри ЛГ1У (195251, Ленинград, Политехническая ул., 29, ' Г уч. корпус, ¿уд.

С диссертацией ыокно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке

ЛОТ.

Автореферат разослан " " ИС _ 1980 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-катематячаских наук, профе ссор

Е.М.Смирнов

эшйрш&тшюз йсиадовши стгукг/ру сшбскюкрншиьшго

1ШГРАШШГ0 СЛОН ¡1Рй ЦВР&ссшю.л Я т/рш^шю.Л Р^ЫйХ ХВЧЙШЯ

Общая характеристика работы

Актуатьяос^ь ярр&яомч. Развитие теЕлоэичрготлш, повшепноо внимание к лоиросам охраны Ифукаюдай ср&яи, задача строительной техника к химической технологии обусловили возросли: интерес к свсбодно-кснеоктненк'! точениям. Б хшшчэсках я ядорких ¡.¿акторах, я различного рода твпиоск&ынниках, в криогенной технике свобшш хонпвкцця мосет заметно влиять на процессы, проаекаюдие е от»: установках. Иероноо топла при остостьонноЯ конвекции определяем зкоктненость охлаждения многих технических установок, слукит наиболее проста-,; способом отвода таяла в ряда электронных устройств.

Турбулентный ОЕсбодноконЕвктиЕпиЗ топлообман в природа к технике встречается значительно чаще, чем лалинаршй. Он является ояроде-ллшдаг, в частности, при рассеянии тепловой энергии боль лас радиаторов, установлении теплового я ллакностного ромжов эксплуатации грак-данских и сельскскозяйси&енних сооружений. Несмотря на больаоо .число практических приложений, до недавнего времени этог.^у типу точения было посьящело сравнительно /лаю исследований. В бальшшетве экспериментальных работ, в которых изучался турбулентной свободноконЕектиЕ-:шй пограничный ело!1,, определялись закона теплоотдачи и осреднанные характеристики потока. Ь немногих экспериментальных работах, исслс-доваЕшве структуру турбулентгшх СЕободноконвектиЕиых тачаний, показано, что такие потоки имеют специфические особенности, связанные о наличием массовой силы. Однако для создания надокнме моделей турбулентности полу чанных результатов явно недостаточно. Зона перехода ламинарного рекима тачания б турбулентный остается до сих пор слабо изученной областью. Таким образом, экспериментальное) изучение развития турбулентности и "тонкой" структуры турбулентного пограничного слоя около вертикальной пластины является весьма актуальным. Цель работы гдояно сформулировать елв.цуюаш образом: I. Создание экспериментальной устаноЕКИ, позволяощей получить вдоль вершкальной пластины Еысшсостабнльный свободноконЕОКтиишй поток в широком диапазоне изменения определяющих параметров точения, включая три режима: лашшаршй, переходной, туобулентшй.

2. Изучение структуры теплового естествешоиоаьактяьного погра- г паяного слоя около взотврш»чзской поверхности на основе измерз шш осрадненньа и пудьсациоиннх характеристик тещературвого поля.

3. Анализ полученных корреляционных характеристик я саектраяь-аой плотности распределонья пульсодай текпвратури, визуализации тз-чэняя и записи отрезков роишзацви мгновенной аимператора с дельв вшнатввя особонноотей. структура турбулентности, цриоу&вх свободно-конвективному потоку около Еартккалышц поверхности.

4. Исследование стадий парохода лшвщрного рсанда течения s турбулоикшы.

Нз занята внносятся слодующ-.а научнка результат!.;:

1. Создание эксаерадантаяыюй установка для изучения еотествок-ПОКОНЕОКТ2ЕНИХ ТЗЧОШй ОКОЛО БЗрТШШЪПОЙ НЗЛЗОТ8рМйЧ6СКОЙ пластвш.

2. Определена® границ зона перехода лашигфного роаша течения р. турбулентный.

3. Экспериментальное подтверждение наличия области выталкиваемой седц в турбулентной пограничном слоа.

4. Результаты измерений пространственных и врег.'.зннш; масштабов ïoffiioioii турбулентности в развитом аурбулеитнш течении.

5. Вцделениэ в зона перехода волнового моя, наличие которого является неотъемлемой частью мохашзиа смены рекшов течения 2 сво-бодкоконЕектиЕВс:,! пограничном слое.

6. Качосианноо описание развития турбулентного рзкша течония из лакяшрного с .определением ооношщ стадий перехода.

Научная новизна работы заключается в ваявлешп ряда особенное-той развитая турбулентности £ свободаокоавектавяом течении и структуры турбулентного СВОбОДЦОКОНЕОКТПЕНОГО пограничного слоя, йя изучения свободной конвекции около вертикальной поверхности создана экспериментальная установка, но Е.моюцая, ' по-видимому, до своим возможностям н ряду параметров аналогов в стране. Тохнпчвскиа характеристики установки позволяют исследовать свободноконвокгсшшй пограничный слой е аироком диапазоне чиобл Грасгойа. Автоматизированная система до.ддерЕаная температуры позволяет исследовать тачание вдоль поверхности с различиями ракшами ое нагрева. Некоторые конструктивные особенности установки, в частности, посекцлонний нагрев пластики, представляют определенные преимущества перед номяогочделоиными зарубе кны.ми аналогами.

В результате рсслодсшапая структуры СЕободксконвзктивного турбулентного пограничного слоя окстеримэнтэдьно подтсорэдоно наличие области Ентялкнващой сила и шврсив определены ев границы.

На основании комплексного анализа пульсаодопшх характеристик слободночоигйкхяйнрго потока определены поперечина пространотеешша и г: реыенш-м г;; сл'гзби турбулентности п тгяяовом ясграяичком ело а, ЕИ~ яглшш ичяр^плзаиз а скорость отноептвлхного ларвкоазкш! турбулентных вихрей. Исследована структура тетания п дерах одно;! области, про-азализяроваш спектралькка а коррзхяшовита характорзстккя в отой области, что позволило со стоил и подробкнЗ. "сценарий" дерзход«. лгама-парного роЕ-'иа точзякя с турбуленгшШ.

Достог-орность подучеияшс результатов обеспечавалась путем вс- • пользования в огопах падению: средств язиврения я воспроизводи:,юстьа результатов. Крота того, результата тостошгс экспериментов сравнивались с аопучашта д.звншя. других авторов к показали хорошее согласован!! о.

ПЕ^О'А^^^-Щ!^™!?.^ рабоч'Ц заклглгсзтел в получении повет данн/ос по структура СВОбОДЕСКОНГЗКТЗЕИОГО ПОГрЗКЙЧЯОГО спои, ослов— 1Е! дульсацзошшл хзракторястяка« турбулентности в условиях свободно.! коввекти, предсказании стадий парохода ламинарного рикяиа сво-боднокеншетавиого точения п туроулентккй. Получзннкз результат« могут бить ¡'епользоваки при разработке ноеьк кодвлой турбулентности с учетом особенностей снободнскенЕОНтивного течения.

Технические парамзтры и универсальность созданного экспериментального стенда позволяют проводить широкие исследования как научного характера, так и решать конкретные пнканерппе задачи а области теплообмена различных технических устройств.

Апробация работы. Оснс'вншз результаты работы докладывались на Республиканской научно-технической конкуренции по механике кидк остей и многофазных сред {Ташкент, 1383), всесоюзном семинаре по методам измерений £ потоках: а измерительной аппаратура (Москва, 1990), У Всесоюзной конференции до проблема1/, турбулентности (г.Одесса, 1990), на семинаре по гвдроазродинашке под руководством Ю.В.Лапина в 1Г1У (1950).

публикации, исновше результату исследования опубликованы в четырех работах.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит пз ЕЕвдэ—

шя, щи глав, заключения, списка псиодъзуеаоЕ литорсауры из 97 аа-сменований и дрплеввивя. Работа излонона ва 163 отраиацох машапоп4с- ' йог о текста, содернпт 73 ряоунка, 3 таблицы п текст программа автоматического сбора данных с покоаь» ЗШ - ясаго 213 страниц,

СОДЙРЙМЙБ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы," оо научное и практическое значение.

Ь гляео I представлен обзор литература, посвящешшй вопросам наследования свободноконыктивнах теченил около вертикальных поверхностей. В обзоре доказано, что из-за трудностей, возникавших при экспериментальном исследовании низкоскоростных нзазотермнчоских потоков с внсокшл уровнем низкочастотных пульсаций толловщ. и скоростных характеристик, турбулентная естественная конвекция является .менее изученной областью по сравнению о еынувдеиными тачаниями. Имеется довольно большое количество работ, посвященных определению критериальных законов теплоотдачи от нагреваемых поверхностей и осредненных характеристик в турбулентных свободноконвективных пограничных слоях.-Однако для понимания слоеного механизма турбулентного теплообмена в гравитационном поле необходимо изучить "тонкую" структуру конвективного потока и прежде всего различные пульсационние характеристики,

В отдельных экспериментальных работах по исследованию структуры турбулентности свободноконвектавньи пограничных слоев показано, что такие потоки имеют специфические особенности, связанные с наличием массовой силы. Но для создания надежных моделей турбулентности с уче> том специфики астественноконЕективных течений, как показано в обзоре необходимы дополнительные широкие и тщательные экспериментальные исследования сео6одной конвекции для уточнения турбулентной структуры подобных течений.

Вопрос экспериментального изучения переходного ре шла свободно-конвективного течения, по сути, до сих пор остается открытым. Отдель ныв работы, направленные на исследование порехоца, лиль в общ:« чертах представила основные стадии развития течения е переходной облас тя. Очевидна нехватка экспериментальных данных для количественного и качественного описания зоны перехода ламинарного режима течения к •ху ли нтниму.

Л гл.->£а '4 опасат 5Кслер1!Ч!гии.ч?Ь||ая усгааогкз для зоэдажш 60-гесгвешркотшэктавшсс точвшй около вертикальной наязотормичвской плаоташ, приводятся оэ тохшческио хзракузристякч 1: определении^ преимущества конструкта по оп>п>пеяие с судаствув^имн аналогами. Сяи~ зигастся приборная часть окопец.нтаилюй установка, Рчесмотодра ас-нальзуамаа ньм-арительпоп аппаратура, обсуздаытся п (.»грозное? и приборных и !юаоляиосг:к пзкергкяй. ироде кияеяа ярогражд обработки аналогового евгигга ка ЭЬ:Л.

Рабочла харк1орас1лки установки позволяй моделировать три ре-кейэ точения в ссобсдвоконнекгзгрел пограничном слое: ламлнарьий, порах одной и турбулентный вплоть до евачанлй па сна Грасгоза Последнее обстоятельство позволяет существенно расширять диапазон исследований по сравнению с предицущяк?, азвэсшш нам работала.-ОзвоеноИ частью установки г.лжит шгрэ чаемая вертикальная пластина, одна из сторон которой служит рабочей поверхностью, около которой образуется СкоЗодкокоигэк'ЕштХ поток. "Пластина изготовлена из дзрашяншевого листа размерами Ь'ОООхисОх-! им"'.

Нагрев шгастшн осу со скул .-тио-щ» 25 секций, расаолокои-

ык с протнвояолог.нсп л о 01ИГ"-.'"о Г--Ы0 3. поверхности стороны листа. Каадая секция (ркс.1) изге.г.;-:/' ¡п : т.мде отдельного бокса, в котором размещай автономна:'! рагрсь-лс;.«,. Стояка бокса , кроме прилегавшей к листу, биполнрш из текстолита, а одна представляет собой массивную стасованную д<арашжп;га-звую вставку {£0x185x10 мм3.

для д если» для температуря поверхности Т* =65°0 в изотермическом рекнме нагрева максимальная потребляемая электрическая мощность для отдельной секции составляла 160 Ьт, а для награда всей поверхности - 4 кВт. Ьремл установления стационарного рабочзго рзяпма о момента включения установки, в зависимости от заданной теш эра туры рабочей поверхности, составляет 1...2 часа. ^

Наличие в кавдоИ секции автономного нагревателя является принципиальной отличительно;; особенностью данной установки от существу шах аналогов. Додавая натре 1 каздой секции ьбзагнерис друг от друга, мокко в конечном итоге получить различимо закона изменения температуры разочо 11 поверхности по ее высоте. Для задания и подчеркивания необходимого закона натра га разработана специальная автоматическая следящая система. Ступенчатое распределении температуры поверхности ¡лс.кно моделировать путем простого еыоючэкая оздалышх секций, что, в част-

кости, дает еоз.лоешость изучанм прсцосса рзлй;,;лиарпзаи.:;<. потока.

Верхняя п какак стенки бокса яроаатстьуэт pastar..;) потока с тыльной стороны пластины. Это конструктивное отличи о от известных щи однотипных установок позволит рзализовьшать и другие роявш нагрева похзркноси, упрзкдал сглавивание заданного поля температур конвективными токами с обратной стороны пластины.

При о-хйличокии автсцатпчаской следящей спстот реализуется рации, при которой к рабочей поверхности подводится постоянный тепловой поток, п тогда температура поверхности устанавливается в зависимое те от теплообмена с окру-аюдэй средой.

Измерения температуря рабочей поверхности в изотермическом ре-ш$мэ нагрева с 5°С показати, что отклонение тешературн от сродного значения сосаапляст па более VC, или Q.C7.(TV- К-.).

Установка снабиена координатным .устройством для перемещения измерительна зондов в зоне образующегося свободноконвективного потока. Перемещение зонда во всех трех налравденшх осуществляется дистанционно, причем'точность перед» цеияя с помощью шагового двигателя по нормали к поверхности - 0,001 ш. Елякайчоо к поверхности измерение характеристик потока проводится на расстопали 0,02 мм.

Шаговый двигатель, перемещавший. датчик по нормали к поверхности, запитдвается от специального модуля в системе КАШ£. lipa этом управление двигателем мокло осуществляй. как в ручном ревнив, та» и в автоматическом с помощью ЭШ. В дальшйивм последний рвван попользовался при разработке единой программы автоматического сбора результатов эксперимента.

Измерение параметров образующегося около вертикальной поверхности течения производится с помощью термоанамометраческого комплекса, сигнал с которого поступаат либо па аналоговый канал обработки, либо на ЭШ.

Поскольку в работе вез внимание уделялось изучзшю теплового пограничного слоя, измерение профилей. скорости носило скорее качост-вонный характер. Относительная погреаность измерении осредне иного профиля продольной составляющей скорости составляла порядка 15% в области максимума профиля, для осредненной температуры - порядка 2%, пульсационной составляющей температуры - не более &%. Частотный анализ электрического сигнала с термометра сопротивления осуществлялся сиимидыи шиишзятира спектра сгл-yü/ü с приведенной точностью 'измерения частоты гармонических составляющих до Изучение мощности 6

спектра пульсаций температуры осуществлялось с относительной погрешностью менее А%. Погрешность намерения дискретных значений нормированной функции корреляции но прогшшла

Визуализация потока осуществлялась методом дтаящзй проволоки,по-знолпют.нм вносить тогошо струШсл дама в заданию точка потока. Дим образуется и результата млдрзнля растпорещ;ох,о в скипидара парафина с поЕорхиостл тонко!! нлхрочпвоЛ прополка дветотроч 0,1 »-л. иасрзвоо-«ой цкпульеглп элоктрлчосгого тока заданной длнтодь.чости.

Приметило ЭВМ позволяет автог.атизнрог.ать сбор и обработку зхспа-ршлвитальиса шфгиадаа в-пронэссо очопорамонта, значительно увеличить объем исследований и существенно улучшать качество зкепарнмзнта. Основой пзморнтольно-Енчпслитольлого ко.'.'ллокса (ИБК) является ЭВМ -"Элект-роншса-60", модоршзярованная с аоиощьа процессора ¿3, о расширенной оперативной памятью до I ¡¿байт. Для ИВК разработано специальное математическое обеспеченно на язико (Ы&САЛЬ, позЕоляш;ео осуществлять диалоговый речич работы с оператором иди проводить полностью автоматизированный сбор информации в данном езчошш пограничного слоя.

Глава 3 посвящена анализу осреднолпого профиля температура и интенсивности топлочой тур.1улснтностя е переходном а турбулентном режимах точ.лшл. Слрадоляптся границы зони перехода я структура турбулонт-ного свободноконноктаЕпого пограничного слоя. Проваденн качостгешшэ измерения осродненнол скорости поперек турбулентного пограничного слс-я.

Осрадпонвнэ пробили температуры били получена б диапазона чисел Грасго:|а 33,2-Ю^ для температуры поверхности = (64+1) С, Ризичоскпе свойства газа (за исключением коэффициента объемного" расширения р> ) определялись при плзиочнок температуре

Било установлено, что переход течения от ламинарного разима к турбулентному происходит в диапазоне чисел Грасго^а от 0,11*10 до 1,6-Ю10.

Поскольку нет единого критерия начала зоны перехода, в настоящей работе за начало зоны быда принята координата X , где интенсивность пульсации температуры 1т,„(,„ - \ГГтТ/7Т„-7^) составляет 2% своего максимального значения (рис.л). Зцесь Т' - пульсационная составляющая мгновенной температуры. Следует отметить, что в данной точка но наблюдается какого-либо существенного отклонения профиля осредненной томяоратури от автомодельного ламинарного профиля.

За коизц а они перехода принята. коор^Дпитн, аа™ чаиая о которой хелачвт 1т.,«д. прадтачосы! ;'я игаешю'ла х-газ но -потоку. Показано зши'е, что область каксвкальяой ытшсгпиосзц турбулентности считать ксщол оо;ш парохода стбочао, поскольку в данной сечавек пограничного слоя коэффициент иеремокаемос.ш далеко па раяэн единица. Вротяйввнооть зона царахода можно оцэкать так,:;?; по характеру изменения толщины С^ теплового пограничного елея (рис, 2, кривая 2).

Ыаксяааяьноэ значение яагевслввоста турбулентных пульсаций твм~ пэратури: в s оно перехода ( 1тт*рОД9) прзвицазт соотвегс-геувщес значение в области развитого турбулентного тсчзпия ( Ет,.«-0,16,. 0.17), однако профиль интенсивности Iríjj) в последней ооластн белее заполненный по сравнению с областью перехода (рис.З),

Еагисаиоогь безразмерной .темпа сатурп в'»(Т-Тю)/(Т„автомодельной переменней показывает существенную консервативность профилей: результаты измерений ссреднепкой тог.шературн пра числе ГрасгоЗа Gr =3,3'Iûy короло лозсатся на автомодельный прс^лль температуры ламинарного рввдма, хотя уровень пульсаций у ее достаточно высокий.

Б области развитого турбулентного течения подтверждено наличие вблизи стенки вязкого подслоя тешцаной (1,7.. .2, о) км или

n

талвдш От , закон изменения тешератури в котором имеет линейный характер. Завасамость толщины вязкого подслоя от числа Грасго|а но прослеживается.

Наличие подъемной архимедовой селк so многой определяет особенное тд развитая свободнсконвектавкого течения, li работе Дкордка а Каппа (197Э г.) в результате теоретического исследования течения около вертикальное нагретой поверхности сделан вывод о существовании особой области, которую автора назвали слови вталкиваю1©г силы (или выталкивающий слоем). Течение в bïoîî области определяет характер дви-неная 20 всей пограшчнш слое, и по значимости область выталкивающее силы г.юкво сравнить с областью действия логарифмического закона для скорости е ЕинугданноконвектиЕншс течениях. Характерной особенностью данной области яеляотся постоянство теплового потока поперек всего ÉhlTÛJIKVIMICljj^n слся .

£ ватплканвдем слое для профаля безразмерной температуры подучено шрагонпе

чтя - масштаб температура, к - универсальная постоянная,

ßt IV) ~ универсальная йушцяя числа Прандтлп, а в качество касита-

;,э дли иг попольз.уотся

_ (2)

Здзсь V« - халня-гтшоспья вязкость при температуре вне псгртшч-пого слоя, ß - ускоренно свободного падания.

К ооталэшпо, маг.гл за га?дено ни одной отачаотвопной работа, посвященной экспериментальному изучала» области ьыталкававдэй сали.

В настсяо'Дй работе для опредолонля границ области внталкиваы-шой салн но эксаврамр;итаяьпм даннпм тстроок график зависимости безразмерной чьшоратури от гюлерэчяой координаты (ц 3 , кото-

ri-'ii изобразил ус. рас»4. Результата пелучзкц в "зоне полностью развитого турбулентного теченья для различии* чзсал Грасгофа . О лротяЕонноетп ЕУ.талкчвлялогй слоя мспно судаяь по лине Шкалу учаот-i:y графика. Ьидпо, что в области развдгого турбулентного рекнма то-пзанд тслилна слоя достигает 18...20 мм, что состакяяэт около 20/2 тиамина теплового пограничного слоя, црц этом зависимость толершп области ьытзлкивалэдзп силы от числа Грасгофа практически отсутствует.

ß глава i для развитого турбулентного рахима течения па основа измеренных частотного спектра а различи!« корреляционных характеристик пульсации тешара^рн, изучения отрезков реализации мгновенного температурного сигнала определены поперечные пространственные я временные масштабы- турбулентности, исследуется скорость движения тепловых раксей доперок иогра.-'ичного слоя. С помощью корреляционного метода найдены лродольнко «к проста перемещения мелномасштабчцх те пловах вихрей отвоедтайм'о оереднояной скорости потока.

В paöoia изучается как пространственно-временные корреляции Rr пульсаций темчератури , аак и их частные случаи; автокорреляции ilu и прессрзяствоакш дирреляши fvr,j .

¿спольэуя ошзоделениа коэф/ашевтов корредядид, мр.чио ввести в раосмогренла яекоторда характерные маслабк турбулеятно;тл. Бмгъао$ рамреслргщениэ лолучщщ интегральные ыаситабы: яростраяствены.;!

и временной ^

Тн-ТМ'зЛ^, (4)

где а-Ь - враменной интервал между измерениями, а л^ - расстая-ниа мевдУ зсадами.

Наряду с интегральным масштабом /_,г , в работе оярэделяется так называемый ыикромаслтаб , характеризующий размер вихрей, 13 которых происходит интенсивная диссипация кинетической энергии турбулентности. Геометрически масштаб X изображается отрезком на оси абсцесс, отсагсаемш параболой

(5)

Измерение коэффициентов корреляции проводилось с помощью прибора для исследования корреляционных характеристик Х5-4, а результаты фиксировались на планшетном графопостроигелз 1Щ1-1. Используя автокорреляционную функцию (рис.5, кривая 3), можно оценить время казни наиболее крупных вихревых структур, которое определяется по пересечению автокорреляции с осью абсцисс, 1и близко к 130 мс у стенка и возрастает до 170...200 мс но внешней области полностью .развитого течашш. ¡.шкромасштаб Х1, характеризующий время кизни наиболее мелких возмущений, мокно оценить нз только с помощью Й-ц.. но и по приближенной формуле

Zt~fZ/St■J (6)

где д/ - количество нулей пульсаций температуры за единицу времен; Обработка отрезков реализации мгновенного температурного сигнала ш казаяа, что шкромаоатаб вблизи вязкого подслоя составляет порядка 80 мс, в то время как в турбулентном ядре уменьшается примерно до 40 мо.

На рис.6 представлена зависимость пояерочнсго интегрального масштаба турбулентности Ьт , обазразмеранного на местную толщину пограничного слоя, от величины ^¡/(Рт . Видно, что интегральный масштаб во внешней области полностью развитого турбулентного течения практически не изменяется с ростом числа (тг* . По мере удаления от станки наблюдается рост интегрального масштаба с (6...7) № до значения ¿орядка (15,., 18) ш (или 0.18 <Р- ) с? внешнем турбу-»вятном ядре.

Ыикромасштаб \ рассчитывается с помощью корреляции Кт^- и Ю 1

■ормулы (5). Размори диссипативных вихрей, определенные таким спосо-ом, лозат в пределах 4..,6 км, или (4...&)% толщины & ,

На основа полученных пространственно-временных корреляций юкпе сделать вывод о том, что вихря имеют поперечную составляющую ¡коростп, направленную л сторону максимума осреднэнного дродиля ско-юоти.

В nacTonniOa работе измерению прододытых пространстленио-времен-

!ых корреляции

R г---< Т,'(ллЛ) , ^ (?)

'до пвдекон 1,2 указывают, какой го двух нитей производится лзмзроиио, 'делено гораздо ттм ршаент. (йаагго на основе аеалпза корраляцоЯ 17) определена продольная скорость яврвмещепая вихрей относительно ос--родненного течения. Прч измерения RT по формуле (?) попользуется опо-1:1яльно сконструированный датчик, гключакхций в себя дво нити термометров ссяроторяоиил, ргоявлокзншэ оарэллеяьво друг другу. Расстояние '.аг'ду ?п?.Т'п л к »5 мм ^вксированно. Результата измерений мзотноп ос~ эедновяоЗ скорости коррг.кшйоивш методом л области выталкягатиЗ спаи п BBsansK турбулентном ядре показали существенное лреишкшво наЯ-Wtiwx под полу"ешики торчоапзмометрпческим способом еочл-

эагама в главо 3, Прятано,! отмоченных "сверхскоростей" при мол их расстояниях ыезд/ золдаьч ттч бить лрп су темпе в потока бнетропчрамгша-ащкхся вкхрэЗ с малой пред oí глталыюстьв кизна.

Весь частотшй диапазон пульсопай в сео6одноеопвоктпенсм слое укладывается в полосу частот 0...20 Гц с ярко шраконты максимумом спектральной плотности на частоте около I Гц, На диаграмма (рис.7) представлено распределение мощности пульсаций температуры. При перехода из внутренней во внешнюю область пограничного слоя наблкдается перераспределение энергии по спектру. Но всей видимости, пополнение энергией наиболее низкочастотного диапазона обусловлено увеличением энэргонесущих вихрей при удаления от стенки.

В глава 5 по результатам исследования'пульсационных характеристик поля температуры и визуализации е переходной области проанализи- ■ рованы некоторые особенности перехода ламинарного режима точения в турбулентннЗ, описана качественная картина течения в зоне перехода.

Анализ частотного спектра показал, что в начале зоны перехода возникают периодические пульсации температуры, близкие г.о t]opi,.e к синусоидальным с частотой порядка Э.,.3,5 Гц.

Затем до нзре /яеличенш продольной' координаты к ецглвтуда кслабапай. возрастает, а их форма азкакается, частота колебаний смещав тел £ сторону 4 Гц. В результате на спектре пульсаций температуры появляется вторая гармоника { ~ 7,5 Гц). Ь конце зоны перехода наелвдаэтея разрушение периодических структур, и-формируется развитое турбулентное течение.

Особенности теченья в области перехода ламинарного регаша с турбулентный существенным образом елвяйт на характер изменения автокорреляционной функции (рис.5, кривые 2,3).

При изучении пространственно-времанных корреляций «« - ■ ______,

в зоне перехода установлено, что для некоторого расположения зондов коэффициента и й^1 полностью совпадают (рис.3, кривая 5).

Однако при перемещений зонда I к поверхности, либо зонда 2 к внешней границе сЕойодноконвактивного слоя, начиная с определенного расстояния меаду ними, яабладаатоя смещение по фазе и ( рис.8, кривые 2,3 и 4,5). Границы области, в которых для данного расположения зондов коэффициента ^т" л ^г еннфазны, близки к очертаниям слоя, где кооффициент (рис,5, кривая 3) ранен I. .Таккм способом мокно определить толщину елся е зоне перехода, в котором зароадаегся к поддеринзается колебательное двиалние.

На фотографиях, сделанных в начале и середине зона перехода (расстояние от стенки соответствует точке максимума 1т £ данном саченли) отчетливо наблюдается нарушение двумерных периодических структур к середине зоны перехода.

Искажение синусоидальной формы двиквнвя носит трехмерный характер и в итоге приводит к образованию вниз по потоку продольных спиралеобразных круановихравьс: структур.

Рассматривая в спектре модности пульсаций температуры полосу частот (Х.о...5) Гц, следует отметить, что в волновом слое, границы которого прпблири'тедьип "предел::::." с ло.^ощяш лшщищонтоъ корреляции, на выделенную полосу приходится до {ЬЬ,..00)% дизргли нульсащ одчого дгикения

Ьблизи еношшй границы пограничного слоя основная часть энергии гомператургш пульсаций (примерно 50...60/5) сосредоточена в низкочастотном диапазона (0,3...1,5) Гц, тогда как на полосу (1,5...Б) Гц преходится нэ болоо (25...30)5».

Основные результаты и выводи

1. Для изучения встястванноконяпктивних точений около кортикальной поверхности создана экспериментальная установка, позволяющая получить ьысикоотабплышй свободноконЕОктивныЦ поток вдоль паг-рэваемоЧ плаоташ. Раьлв'чнне температурный рокимы пластипн оадпвтся и пэддзр-дааются скегаальноЛ автоматизированной системой. Технические характеристики установка позволяют исследовать три ранима течения: ламинарный, переходной и турбулентный, вплоть до значений числа Грасгофа =3,5-ЮИ.

2. .В зоне развитого турбулентного течения экспериментально обнаружена область, характерная только для свободноконвектявнсго пограничного слоя, существование которой таорэтачоски предсказано 2 работа Дкорда-а и Каппа (1979 г.).

В пастояцоЗ работа выталкивающий слой 'ввделен экспериментально а впервые были опрэделолн его границы. Толщина слоя достигает 13... 20 ..'л, что составляет около 20;1 толщины теплового пограничного слоя. При этом зависимость толщины области от числа Грасгофа практически отсутствует.

3. Для развитого турбулентного течения определены поперечные пространственные и временные масштабы турбулентности.

Величины полученных энергосодержащего и диссяпативного масштабов турбулентности но внешней области различаются примерно в 3...4 раза и отношение их временных масштабов составляет около 4...5 раз, что указывает на довольно неоднородную структуру турбулентности в этой области. Напротив, вблизи ьязкого подслоя турбулентность боль в однородна, поскольку масштабы Ц.и близки по величине.

4. В зоне разгитоа турбулентности корреляционным методом определена продольная скорость перемещения тепловых мелкомасштабных -вихрей. Б выталкивающем слое а внешнем турбулентном ядре она примерно

в полтора раза превышает осреднзаную скорость потока. Данный экспериментальный ¡[акт свидетельствует о том, что справедливость гипотезы Тейлора о '•зочорожвяней" турбулентности в огободноконвегтяЕПом прр]з-

:з

печном слое нарушатся.

5. Анализ спектра пульсаций температуры показал, что мшссшлум спектральной плотноота приходится на частоту I Гц, причем более 605? знаргпи температурных пульсаций заключено в наиболее низкочастотном диапазона 0,3...3 Гц. Зти данные свидетельствуют о значительном со-дарганпи крупновихревых образований в турбулентном потоке.,

6. Для начальной стадии перехода ламинарного рекша течения а турбулентный характерно развитие колебательного двшеенш с частотой (3,..3,5) Гц, и в переходной области обнарукена зона зарождения и разнится двумерных периодических структур с частотой колебаний (3...4) Гц.

Толщина этой области составляет примерно четверть толщины теплового пограничного слоя. Вниз по потоку область су кается, и в соре дина зоны перехода ( =6,9*10®) толщина не превышает 3 га (иле G,05 ) с границами 6 и Э т от саенки,. причем двумерностъ' периодических структур нарушается.

7. Искаженна синусоидальной в начало зоны перехода фермы дви-кания носит трехмерный характер и в итоге приводит к образованию вниз па потоку продольных спиралеобразных крулновихрввых структур. С уводячеыавм числа GVj, наблвдается Ерэмя от времена (регулярности процесса выявить на удалось) укрупнение Еихрей путам их спари вания, древде чем к концу зона лерэхода произойдет разрушение сайра леобразных структур с образованием широкомасштабного турбулентного ешктра вихрей.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Евстигнеев М.Н., Кузьмицкий U.A., -Чумаков Ю.С. Установка для исследования своОодиоконвактиввьк течений на плоской вертикальной нзизоторшачзской поверхчости //М,, 1983. 7 с, - Jen. в БЛШШ. 27.07.88, J* 6040-В88.

2. Кузьмицкий O.A. Экспериментальное изучеьие характеристик свободнококвектиЕного пограничного слоя около вертикальней изотерме ческой поверхности. //Тезисы докладов Республиканской научно-техни ческой конференции "Механика етдкостей к многофазных сред " -Заыкент, 1983. С.24.

3. Кузышцкий O.A., Чумаков il).С. Экспериментальное исиледозанг структуры температурного поля в свободноконЕектившпс потоках. //Сб.

Изгложи:;г:;1 в потоках. 1.!отодн, аппаратура и прпмопения". - <'4.: Ш'АН, 15Э0. С.35.

л, Кузымцкий O.A., Чумаков Ю_.СЛ Структура температурного по-■л в свобедиоконвектавном пограничном сяоэ около вертикальной изо-

.•ар'шчоской поверхности // ÏLÏ. I99U. fi 4.

j-Jir j t.bcrtca

i

г - M', >1

II

ь г V

\i-í

Ч К:

■A s

jiNpRsat.

Рнс ? И:1М£Н?(Ш<2. максимем^сн

MMMCCW n^cmtn, темпе р. туры Iw ¿кривя* О » ГЫИ"»"

геилоёою погро.ии.«*о слсл «т ''______

л ■ i

О П

т

110

éf-

1 liOi'.j/'CilU

Г

<1 mí er Z - fiwWííCwuKue-

Й с то Pe-о. ?

/а / Р1-' CÍ'Ioui-

~4YKÍ

;,u re :?'JO тг !l

генкк í'c.k'co ,

- nCÍítTO-

рис h (Ъеоглет.-* CíWacíl! ¿итвл^мкч^и с im».

CM

'O

IV 3 Прсгрили ^moen, bic.,J "Y^r „olpaiü(MHCto C.AC3

„остй ir ncrtcp^ & шою «жи-

„ _______

-ГГ7- I ¡«-e^»»«

u /\\ :: tr.fc

'S _JN.

-I-2

4

» &2.I0

- u.«, V — a.o-icf'

4

\

\

^—i ■ ■ --

Ряс. 5 Аотьиоррем, ции млиъций тем- Рис, 7 "^Ьиаграгнпи илеи-

пературы ê 3оке ие.рг.хода t<

éwroñ у-уХт

тра mch-i¡(ioctii пулиацси rew/iepcUijpw & турбулентном полдничном с/чое, ■í - доля ?кергкм

OSakctu; 2 - eb ßneu-i-

кй-w с&лсш,

Рис. è Погге.речмк£ (УакромосштаБ температурных. тул^содий Lr.

О |Я О 1С о Oí

-&У3-1

Ю

"-Ч.1./Й"

I

о. i

J,

Рис, S Попеое.ч H iff- проарансуёенно-вргмениые. корреляции пульсации îewne^a'ït|/><>i ê области ра^куои ^('fy лектиосги. Gq * í.9-io'° ' лу = i/< = Юмм ,

л'" / г 1 - •

1) У/ ÍV /V

'А э Л"1 /V /У

г Л "V/ Г // /•-i t..

ж

IS

Рис.3 Поперечные' „робтракственмие к^Греляц«" '

Ге-МИера.турЫ.

1одпасано :с печати os.u.oo. Tapas IüO экз.

Заказ esa. Бесплатно

Отпечатано на ротапринта ЛГТУ I9525I, Лзнинград, Иодитэхничэекая ул.,29