Экспериментальное исследование свободной конвекции около вертикальной нагретой поверхности при турбулентном и переходном режимах течения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

гч Л

О

2 7

МАЙ 1Я97

На правах рукописи УДК 532.5.013.13:532.526:551.508.5

КУЗЬМИЦКИЙ Владимир Алексеевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНОЙ

КОНВЕКЦИИ ОКОЛО ВЕРТИКАЛЬНОЙ НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ И ПЕРЕХОДНОМ РЕЖИМАХ ТЕЧЕНИЯ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент Ю.С. Чумаков.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор С.А. Исаев,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Д.А. Никулин.

Ведущая организация: Центральный Научно-Исследовательскш

Институт им. акад. А.Н. Крылова.

Защита состоится " о " иЮН.3 1997 года в часов

на заседании диссертационного совета Д 063.38.15 в Санкт-Петербургском государственном техническом университет« по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан йдоп^л^Я 1997 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук доцент

Д.К. Зайцев.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНОЙ

КОНВЕКЦИИ ОКОЛО ВЕРТИКАЛЬНОЙ НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ И ПЕРЕХОДНОМ РЕЖИМАХ ТЕЧЕНИЯ

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Задачи теплоэнергетики и химической технологи, строительной техники и метеорологии, повышенное внимание к роблемам экологии и охраны окружающей среды обусловили возросший последнее десятилетие интерес к свободноконвективным течениям. В томных и химических реакторах, в различных теплообменных устройст-ах, в криогенной технике и полупроводниковой технологии свободная онвекция может заметно влиять на протекающие в таких установках роцессы. Теплоотдача путём свободной конвекции определяет эффектность охлаждения многих технических установок, является наиболее ростым способом охлаждения ряда электронных устройств.

Турбулентный режим свободноконвективного теплообмена встречается природе и технике значительно чаще, чем ламинарный. Он является нределяющим, в частности, при рассеивании тепловой энергии больших адиаторов, установлении тепловых режимов при эксплуатации промыш-енных сооружений. Однако, несмотря на большое практическое значение, о последнего времени этому типу течений посвящено сравнительно мало сследований. В основном в экспериментальных работах, в которых зучался свободноконвективный пограничный слой, определялись законы еплоотдачи и осреднённые характеристики течения. В немногочисленных кспериментальных работах, направленных на изучение структуры урбулентных свободноконвективных течений, показано, что такие потоки ;меют специфические особенности, связанные с наличием массовой силы. )днако, для создания надёжных моделей турбулентности полученных 1езультатов явно недостаточно. До сих пор остаётся практически .еизученной зона перехода ламинарного режима течения в турбулентный. "аким образом, экспериментальное изучение развития турбулентности и тонкой" структуры турбулентного свободноконвективного пограничного лоя около вертикальной поверхности является весьма актуальным.

Существенную трудность представляют измерения скорости и в юобенности - её пульсационной составляющей в неизотермических низко-коростных течениях с высоким уровнем пульсаций, к числу которых вносится свободная конвекция. В настоящее время проблема выбора гетода измерения скорости и измерительной аппаратуры также ещё далека 1Т своего решения и требует серьёзной методической проработки.

Цель работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработка и тестирование методики измерения скорости при помощи термоанемометра в низкоскоростных существенно неизотермических потоках с высоким уровнем турбулентных пульсаций.

2. Разработка методики калибровки термоанемометрических датчиков при малых скоростях в неизотермической воздушной среде.

3. Изучение структуры свободноконвективного пограничного слоя около вертикальной нагретой поверхности на основе измерения полей температуры и скорости. Исследование пристенной области течения..

4. Измерение турбулентного напряжения трения и турбулентного теплового потока с целью выявления особенностей структуры турбулентности, присущих данному типу течений.

5. Исследование особенностей зоны перехода от ламинарного режима течения к турбулентному.

Научная новизна работы заключается в выявлении ряда особенностей развития турбулентности в свободноконвективном течении и структуры турбулентного свободноконвективного пограничного слоя около вертикальной поверхности. Для проведения экспериментального исследования подобных течений разработана новая методика измерения скорости.

Создана специальная калибровочная установка для калибровки термоанемометрических датчиков по скорости и температуре и разработана оригинальная калибровочная процедура.

Определены тепловой поток и напряжение трения на поверхности при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения, измерена толщина теплового и динамического вязкого подслоя, уточнены границы слоя выталкивающей силы и законы изменения скорости и температуры в этом слое.

Измерены профили осреднённых и пульсационных составляющих скорости и температуры в переходной области течения, определены границы этой области. Получены новые данные по распределению пульсационной составляющей двух компонент вектора скорости в зоне турбулентного режима течения, измерены напряжение турбулентного трения и две компоненты вектора турбулентного теплового потока.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась путём использования в опытах современных средств измерения и воспроизводимостью результатов. Кроме того, сравнение результатов тестовых экспериментов с данными других авторов показало хорошее согласование.

Практическая значимость работы заключается в получении новых данных по структуре свободноконвективного пограничного слоя, основным пульсационным характеристикам турбулентности в условиях свободной конвекции. Получены новые данные по распределению напряжения трения

на стенке, определены границы переходной области. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых моделей турбулентности с учётом особенностей свободноконвективного течения.

Технические параметры созданной калибровочной установки и универсальность предложенной методики измерения скорости позволяют проводить широкие исследования как научного характера, так и решать конкретные инженерные задачи в области теплообмена различных технических устройств.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Методика измерения скорости в низкоскоростных существенно неизотермических потоках с высоким уровнем турбулентности, основанная на использовании термокомпенсации сигнала термоанемометра по актуальной температуре.

2. Создание экспериментальной калибровочной установки и разработка методики калибровки датчиков термоанемометра при малых скоростях в неизотермической воздушной среде.

3. Измерение напряжения трения и теплового потока на поверхности при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения в свободноконвективном пограничном слое.

4. Определение границ пристенной области, характеризующейся линейным профилем средней температуры и кубическим профилем средней продольной скорости.

5. Экспериментальное исследование слоя выталкивающей силы в области турбулентного течения.

6. Измерение интенсивности пульсаций температуры и скорости при турбулентном и переходном режимах течения в свободноконвективном пограничном слое.

7. Измерение турбулентного напряжения трения и двух компонент вектора турбулентного теплового потока в зоне развитого турбулентного течения.

8. Определение границ зоны перехода от ламинарного режима течения к турбулентному на основе различных характеристик потока.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоёмкие технологии для России" (С.-Петербург, 1995), Международном симпозиуме по интенсификации теплообмена в энергетическом машиностроении (Москва, 1995), III Минском международном форуме по теплообмену (Минск, 1996), II Рабочей встрече ЕНСОБТАС по численному моделированию крупновихревых структур (Гренобль, Франция, 1996), на семинаре по гидроаэродинамике под руководством проф. Ю.В.Лапина в СПбГТУ (С.-Петербург, 1997).

Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в шести работах.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы из 141 наименования. Работа изложена на 237 страницах машинописного текста, содержит 127 рисунков, 11 таблиц и 2 схемы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы, её научное и практическое значение.

В главе 1 представлен обзор литературы, посвящённой вопросам исследования свободноконвективных течений около вертикальных поверхностей, а также различным методам измерения скорости. В обзоре показано, что из-за трудностей, возникающих при экспериментальном исследовании низкоскоростных неизотермических потоков с высоким уровнем низкочастотных пульсаций тепловых и динамических характеристик, турбулентная свободная конвекция значительно меньше изучена по сравнению с вынужденными течениями.

В отдельных экспериментальных работах по исследованию структуры турбулентности свободноконвективных пограничных слоёв показано, что такие потоки имеют специфические особенности, связанные с наличием массовой силы. Для создания моделей турбулентности, адекватно описывающих свободноконвективные течения, как показано в обзоре, необходимы дополнительные широкие и тщательные экспериментальные исследования турбулентной структуры таких течений.

В обзоре подробно обсуждается вопрос о способах измерений в подобных потоках.

В главе 2 описана установка для калибровки термоанемометрических датчиков при малых скоростях в неизотермической воздушной среде, приводятся её технические характеристики. Детально изложена методика калибровки датчиков. Исследована проблема влияния смешанной конвекции на теплоотдачу от нити термоанемометра при малых скоростях. Разработана новая методика термокомпенсации сигнала термоанемометра по актуальной температуре потока.

При конструировании калибровочной установки (см. рис.1) был реализован абсолютный метод калибровки, когда термоанемометрический зонд движется относительно неподвижного воздуха. Настоящая установка позволяет калибровать датчики разнообразных конструкций с одной или несколькими горячими нитями термоанемометра (в дальнейшем - ТА) и одной нитью термометра сопротивления (в дальнейшем - ТС) при скоростях от 1 до Ы)см/с и температурах воздуха от 20 до 80°С.

Рис.1 Схема калибровочной установки: 1-электромотор; 2-редуктор; 3-пено-пластовый короб; 4-концевые выключатели; 5-опоры трубы; б-латунная труба; 7-нагревательный элемент; 8-заглушка; 9-направляющие; 10-герконы; 11-ролики; 12-прижимное устройство; 13-тележка с зондом термоанемометра; 14-постоянный магнит; 15-пружина; 16-трос; 17-основания.

Кешх = 4.68-Сг°366

Кеим = 1.28 -Сг«-366

Время калибровки составляет 1.5-2 часа, а результаты с помощью специальной программы обрабатываются и обобщаются в виде закона Кинга. Известно, что при малых скоростях воздушного потока на теплообмен горячей нити со средой влияет свободная конвекция от нити, и это нарушает закон Кинга, а при очень малых скоростях теплоотдача от нити путём смешанной конвекции становится даже хуже, чем путём чистой свободной конвекции. В настоящей работе проведён анализ имеющихся в литературе данных по смешанной конвекции от тонких нитей и от толстых цилиндров. Эти результаты обобщены в виде следующих зависимостей:

при Огй = 10~6 -г- 2 • 106 Г (1)

при Сга ~ 10~7 + Ю6 . (2)

где Нетх =итхй/у!К, Иеим =иимй/у„ - числа Рейнольдса, в, -

диаметр нити, Сгл = дДТи, - Тд )с£3 V'2 - число Грасгофа, - кинематическая вязкость воздуха при температуре Тд, - температура нити ТА, им1х - "предельная скорость смешанной конвекции", иим - "характеристическая точка смегаанноконвективпого режима", Р - коэффициент объёмного расширения воздуха. На практике можно рекомендовать использовать полученные зависимости (1,2) для определения минимальной

скорости, при которой выполняется закон Кинга (то есть им1Х), и минимальной скорости, при которой горячая нить может быть использована в качестве чувствительного элемента термоанемометра (то есть и ым ).

На основе данных калибровки разработана методика термокомпенсации сигнала ТА по актуальной температуре: при измерениях в потоке с помощью ЭВМ осуществляется одновременная регистрация мгновенных сигналов ТА и ТС, далее вычисляется мгновенная температура потока, после чего с использованием результатов калибровки вычисляется мгновенная скорость течения.

Предложенная методика не накладывает никаких ограничений ни на степень неизотермичности потока, ни на интенсивность пульсационного движения, она работоспособна при измерении очень малых скоростей, вполне пригодна для изучения потоков с низкими характерными частотами и является поэтому наиболее предпочтительной при исследовании свободноконвективных течений.

В главе 3 описаны экспериментальное оборудование и методика исследования свободноконвективного пограничного слоя возле вертикальной нагретой поверхности, система автоматического сбора и обработки экспериментальных данных. Особое внимание уделяется тестированию методики автоматизированного эксперимента.

Экспериментальная установка для создания свободноконвективного потока изображена на рис.2. Рабочие характеристики установки позволяют моделировать три режима течения в свободноконвективном пограничном слое: ламинарный, переходный и турбулентный вплоть до значений числа

Грасгофа (Зг^б-Ю11. Здесь Огх = дДТ^ -Тх)х3у}2; и Тж-температуры на поверхности и на внешней границе слоя, соответственно; уу - кинематическая вязкость при температуре Т^ = (Тгу +Та>)/2. Основной частью установки служит вертикальная нагреваемая дюралюминиевая пластина, одна из её сторон - рабочая, вдоль которой образуется свобод-ноконвективный поток. Нагрев пластины осуществляется при помощи 25 независимых нагревательных секций, работой которых управляет автоматическая следящая система. Такой способ нагрева позволяет задавать различные законы распределения температуры поверхности по высоте. В настоящей работе осуществляется изотермический режим Ту? = 70° С.

Установка снабжена координатным устройством для дистанционного перемещения измерительных зондов в трёх направлениях. Движение зонда по нормали к поверхности осуществляется с помощью шагового двигателя с точностью до 1.25 МКМ. Измерение параметров течения производится при помощи двухнитевого зонда, позволяющего получить одну продольную компоненту скорости, или с помощью трёхнитевого датчика с двумя горячими нитями ТА, позволяющего измерить две компоненты вектора скорости (см.рис.З).

Рис.2 Схема экспериментальной установки и координатного устройства

I-верхнее крепление; 2-вертикальные опоры; 3-кабели температурных датчиков; 4-пластина; 5-задняя шторка; 6-нижнее шарнирное крепление; 7-фундамент; 8-боковые шторки; 9-каретка; 10,16-электродвигатели;

II-шаговый двигатель; 12-термоанемометрический датчик; 13-система фиксации державки зонда; 14-вертикальные направляющие; 15-трос.

Система автоматического сбора и обработки экспериментальных данных является одной из важнейших составных частей измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) по исследованию свободной конвекции. ИВК включает в себя Мининых

ЭВМ, крейт в системе КАМАК (в его составе АЦП, коммутатор измерительных каналов, модуль управления шаговым двигателем и другие устройства) и периферийное оборудование.

Для проверки методики измерений были проведены многочисленные измерения скорости

I

нити ТА

Змм

к-

3.6мм

нить ТС

Рис.З Схема трехнитевого зонда

и температуры в ламинарной области течения с последующим сравнением с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами численного решения уравнений пограничного слоя. Для исследования влияния частоты выборок и порядка опроса нитей на результаты измерений производились специальные эксперименты с помощью измерительного магнитофона фирмы "Briiel & Kjser" модели Таре Recorder Туре 7005. Было показано, что используемая в работе методика измерений является вполне надёжной для исследования свободноконвективных течений.

Глава 4 посвящена определению теплового потока (qw) и напряжения трения (tw) на поверхности в свободноконвективном пограничном слое. Детально разработана методика определения этих величин с использованием профилей осреднённых скорости и температуры. Определены

границы динамической пристенной области (<5Ш), характеризующейся

кубическим профилем скорости, и тепловой пристенной области (SiT) с линейным профилем температуры. При этом учитывалось влияние поверхности на показания ТА (завышение скорости на расстоянии у < 0.5 -г- 0.6 ж/и), а также влияние излучения поверхности на нить ТС (завышение температуры при у < 0.2 -н 0.4мм).

При тестировании описанной методики в ламинарной области течения были получены результаты, хорошо согласующиеся с имеющимся численным решением. С использованием этой методики были проведены измерения при переходном и турбулентном режимах течения. Результаты представлены на рис.4. Здесь Nux = hx/Xw - локальное число Нуссель-та, Aw - коэффициент теплопроводности воздуха при температуре Tw, h = qw/AT - локальный коэффициент теплоотдачи, AT = Tw - Тж,

Ub = зjgfiATVf - масштаб скорости, Vf и р^ - кинематическая вязкость и

плотность воздуха, соответственно, при температуре Тр д - ускорение

свободного падения, Rax = Grx • Pr - число Рэлея. Обобщение экспериментальных данных можно представить формулами:

Nux =

0.279 • Gr^'262

0.0547-Gr°'361 при Grx = 3.75 • 10-u • GrJ'304

5 • 105 2.8 • 109

1.4 • 1010 5 • 1011 (3)

(3.5 тб.З)' 109

гw/pfU¡ =

0.743 -Gr

0.0954

0.0752 -Gr°m при Grx

8.45-103 - Gr:

-1/3

5.9• 10 2.3 • 10

7.9 • 10a -и 4.45 • 10u (4) (2.9 -r 5.5) • 109

1000-Í Nu* 100-

10^

ll'ül II IHN

настоящая работа

— Сиберс,1985

— Bayley,1955 О Tsuji,1988

lililí linilli| ¡.i1 | |¡in¡ !¡l!l¡ Im

I'," * ' '

lllllllll illll'lll

l'llij '"'"Iii ni»

«-»-настоящая раоотаi - Cheesewrigm,1984 Tsuji,1988

— Smith,1972 йКутателадзе,1974 ♦ Cheesewright, 1988

W

\ V -ÁÚ&&A Д

Ra.

, Iii,L,| I IMIIIIj I IIIIII

,11

10' ю9 ю11 ю7 109 101

Рис.4 Коэффициент теплоотдачи и напряжение трения на поверхности

Сравнение с экспериментальными данными других работ показывает хорошее совпадение по величине Мих, в то время как величина в зоне турбулентного течения, определённая в настоящей работе, лежит выше результатов других авторов. В связи с этим следует отметить, что в настоящей работе измерения были проведены в большом количестве сечений пограничного слоя, каждый профиль скорости содержит значительное число точек вблизи поверхности. Поэтому настоящие измерения представляются вполне надёжными и достаточно статистически обоснованными.

В работе вдоль всей поверхности были измерены максимальные по сечению интенсивности пульсаций продольной скорости и температуры:

lum = 1и

0<vS<5¿7

1Тт = тах 1Т

0<у<ат

(5)

где 1и = л1и,2/ит; 1Т = 4т'2/лТ] 17 т- максимальная средняя скорость в данном сечении пограничного слоя, Зи и 6Г -толщины динамического и теплового пограничных слоёв, соответственно {5и = у при 17 = 0.01 • 17т; дТ = у при Т - Тда = 0.01 • АТ). Результаты представлены на рис.5. Там же приведена зависимость 17т от продольной координаты.

Хорошо видно, что в зоне перехода максимальная скорость уменьшается примерно на 20% с одновременным падением напряжения трения на поверхности. Этот процесс протекает на фоне резкого возрастания уровня пульсаций и быстрого роста толщины пограничного слоя. По-видимому,

резкое усиление пульсационного движения и есть основная причина этих явлений: во-первых, энергия осреднённого движения, направленная до начала перехода только на ускорение ламинарного течения в продольном

направлении (рост % и \]т в ламинарной области), начинает "перекачиваться" к пульсационному движению; одновременно с этим происходит захват новых порций холодного воздуха с внешней границы пограничного слоя (рост толщины слоя, перемежаемость). Вследствие этого резко увеличивается масса воздуха, участвующая в подъёмном (в продольном направлении) движении. Из-за конечной скорости прогрева температура этой массы воздуха, в среднем, падает, и, следовательно, уменьшается выталкивающая сила, являющаяся единственным источником движения. Этот процесс, с одной стороны, вызывает падение максимального значения скорости, а также уменьшение наклона профиля скорости у поверхности

(то есть уменьшение г№-), а с другой стороны, - способствует увеличению интенсивности теплообмена (более быстрый рост №их в зоне перехода).

Рис.5 Максимальные по сечению интенсивности пульсаций скорости и температуры и максимальная средняя скорость

В таблице 1 представлены числа Грасгофа начала и конца переходной области, определённые на основе различных характеристик потока (5() 5 -

координата за максимумом скорости, в которой [7 = 17т/2).

Таблица 1. Величина Огх • 10 9 в начале и конце зоны перехода.

Параметр 81Т Мих % ^Тт Iитп ит 771 5Т 8и 5Ъ.Ь

начало перехода 2 2.8 2.3 0.5-0.7 0.7-0.9 2-3 1-2 2-3 3

конец перехода 7 14 7.9 10-15 20-30 8-13 8-10 10-20 20

В главе 5 проводится анализ профильных характеристик свободно-конвективного пограничного слоя, исследуются профили осреднённых

скорости и температуры в турбулентной области течения и в зоне перехода. Уточнены границы слоя выталкивающей силы, измерены пульсаци-онные составляющие температуры и скорости в переходной и турбулентной областях течения. Проведены измерения турбулентного напряжения

трения г^у = —/?[/V и двух компонент вектора турбулентного теплового

потока: продольной = -р Ср11'Т' и поперечной qy = -р Ср УТ'.

(здесь Ср - удельная теплоёмкость воздуха при постоянном давлении).

Наличие подъёмной архимедовой силы во многом определяет особенности развития свободноконвективного течения. В работе Джорджа и Кэппа (1979г.) в результате теоретического исследования течения около вертикальной нагретой поверхности сделан вывод о существовании особой области, которую авторы назвали слоем выталкивающей силы. Течение в этой области определяет характер движения во всём пограничном слое, и по значимости слой выталкивающей силы можно сравнить с областью логарифмического закона для скорости в вынужденноконвективных течениях. Характерной особенностью данной области является постоянство теплового потока поперёк всего слоя. В этом слое для профилей безразмерных скорости и температуры получены выражения:

0=к1-(у/ъпГ1/3 + Ь1(Рг) , (6)

й/иы = к2-(у/?1ы)1/3 + Ъ2(Рг) , (7)

где Т)1П = ((у/Рг)2/д/1АТ)уз и 1/171 = (дРЛТ у/Рг)1/3 - масштабы длины и скорости для внутренней области пограничного слоя, соответственно, 0 = (Т - ТХ)/ЛТ - безразмерная температура, к1 и 1с2 ~ универсальные

константы, Ь^Рг) и Ъ2(Рг) - универсальные функции числа Прандтля.

К сожалению, нами не найдено ни одной экспериментальной работы, посвященной изучению области выталкивающей силы. Данных о границах слоя также практически нет. В настоящей работе в области развитого турбулентного течения был определён диапазон изменения поперечных

координат КГ1 < у < КГ2> в котором выполняется выражение (6), и диапазон ки1 < у < /1^2, где справедливо (7), а также уточнены значения констант, входящих в выражения (6,7). Получено, что в диапазоне чисел

Грасгофа Сгх - 7 • 109 5 • 1011 температура в слое выталкивающей силы хорошо описывается зависимостью: 0 = 1.25 • (у/т]{п)~^3 —0.24, а координаты границ - следующие: (^п/^тГ^3 = 0-74 и (ЬТ2/Пт) ^ ~ 0-40,

или в размерном виде: кТ1 » 1.9 мм и ® 12.7 мм. Исследование профилей средней скорости показало, что коэффициенты уравнения (7) не остаются постоянными в турбулентной области течения, значения координат границ Ни1 и также зависят от продольной координаты, и в целом область, где справедливо выражение (7), оказывается очень тонкой: 0.6мм < у < 2.2мм и полностью лежит внутри динамического вязкого подслоя. На рис.б приведены границы теплового и динамического вязкого подслоя (<5Ш и д1Т) и границы слоя выталкивающей силы (ЬТ1, Ь^ и

Киу, Для температуры хорошо видно формирование слоя вы-

талкивающей силы в конце зоны перехода в непосредственной близости от теплового вязкого подслоя, причём этот слой полностью охватывает область максимума скорости и положение его границ неизменно при турбулентном режиме течения. Что касается скорости, то по нашим результатам динамический слой выталкивающей силы не имеет самостоятельного значения в структуре свободноконвективного пограничного слоя.

105

1-

.....................................

<&Ъ о

°° ¿О,

о о о ао °

оЗ5 О О

, Т2 >ММ пТ1 ,мм

Т1 1Т >

мм

Й^Ло •'¡■¿.»'ь-. м

НИ IIII ||!||||||| ||| IIIIII! I [Л

1 2 3

I ■I; 11:11; I: I г

5

4|

з! 2 1 0

.....................11:11 11 ■ ■ I I I I 1! I I' I I 11

4

V

4.1_ ЛЬ •

Ьш ,мм

л, 6

"ш ,мм 5Ш ,ММ

+++

'►М»,1)^»).....................

1М111ЦМ11Н

111111111|111М11П|1

2 3 4 Х.М

0 1 2 3 4 х,м о 1

Рис.6 Границы теплового и динамического вязкого подслоя и слоя выталкивающей силы

Измерение профилей Т(у) и II(у) в переходной области течения показало их значительную консервативность: так, в частности, профили ещё очень близки к ламинарным даже тогда, когда уровень пульсаций уже достаточно высокий. И напротив, профили приобретают вид турбулентных задолго до того, как заканчивается переход по пульсационным характеристикам. Числа Грасгофа границ переходной области,

определённые по профильным характеристикам, следующие: для Т(у) зона перехода Огх = (2.4 -ь 8.4) • 109, а для и(у)

Ох =(2.7 + 8.6)- Ю9.

В работе измерены профили пульсационных составляющих двух

компонент вектора скорости (1и и 1У = VУ2/[7ТО) и температуры (1Т).

1Ш

о о

о

Получено, в частности, 1 что максимальная интенсивность пульсаций температуры в области турбулентного течения достигает 0.16-ь 0.18, это хорошо согласуется с имеющимися в литературе экспериментальными результатами. Совсем иначе обстоит дело с пульсациями скорости. На рис.7 представлены зависимости 1и(ф и где С, — уЫих/х -

безразмерная координата. Хорошо заметно существенное отличие наших результатов от большинства данных других авторов: по нашим данным максимум пульсаций скорости наблюдается вблизи стенки - между границей вязкого подслоя и координатой максимума скорости. Это соответствует физическим особенностям течения: вблизи стенки очень велик градиент температуры, а следовательно - и выталкивающая сила. В то же время из-за тормозящего влияния стенки здесь очень высокий градиент скорости. Поэтому максимальная генерация турбулентности происходит вблизи границы вязкого подслоя, в области высоких градиентов. Отличие результатов других авторов можно объяснить иными способами измерения скорости: при помощи лазерного анемометра (в области высокого градиента скорости неизбежны сильные искажения результатов) или при помощи термоанемометра с аналоговой термокомпенсацией (этот способ имеет ряд недостатков по сравнению с "дискретной" термокомпенсацией при помощи ЭВМ, применяемой в настоящем исследовании). Можно заключить, что применяемая нами дискретная обработка сигналов, когда все существующие в потоке частоты регистрируются без искажений, наряду с правильной термокомпенсацией и есть главные причины отличия результатов в пристенной области.

0.4-= 0.31 0.21 0.11 0.0

I I I им!_I_I I I 1 пЦ_I_I I I mil_1_i_4

LU

i i i i i;i|

1 ГТТТТТ] I ГТТТТТГ]-Гт

_0i_1_10

'---^JQ-^

3<'10~ * Miyamoto,1982 о 2.17 настоя- 0 5-1?

+ 9.85 ящая • 2.56 Miyamoto, 1994

X39.5 Работа д 5.75 Cheesewright,1982

°8||Tsuji,1988 v6-81 Smith,1972

0.2:

0.14^

1 111 ill

Л. Л

3d-

0.0-

1111|

10

Givio

X13.6

-10

Л 6 46 Miyamoto,1982

08.22 настоя- v8.99 Tsuji,1988 + 11.6 ящая «2.33 Miyamoto,1994 работа -4.93 Smith,1972 y

Рис.7 Интенсивность пульсаций двух компонент вектора скорости

I Mill

III

Измерения пульсационных составляющих скорости и температуры в переходной области показали, что в начале зоны перехода профили ин-тенсивностей пульсаций имеют два максимума: один расположен вблизи внешней границы вязкого подслоя, а другой - в зоне максимума средней скорости. Дальше вниз по течению по мере развития пограничного слоя два максимума сливаются в один максимум, а профили приобретают форму, характерную для турбулентного режима течения.

На рис.8 приведены распределения продольной и поперечной компонент вектора турбулентного теплового потока и профили турбулентного напряжения трения, полученные в работе, в сравнении с результатами

(и^т5)

0.9 0.6 0.3 0.0

-0.3^

0.5

Огх-Ю

ю

•9.85 настоящ. + 39.5 Работа

о 6.52

¿11.9 !Шуаток>,1982 ?14.8

*4.08 СЬееБе\у]^Ы;,1978 х8.44 Тзир,1988 о 6.81 БгшШ,1972

ОГх-Ю"10 • 3.45 настоящ. а 11.6 работа

° ^ М1уашо1о,1982

V 8.99 ТБ1Ц1,1988 ч-4.93 8тШ1,1972

+ + О.х

дД дд

х Х дл 1,Тт Ант

_ Ш

ГПТ|-1 I I 1|1|1| 1 I I

0.1 1 10

10-

45^ 30| 151 0

-15

Сгх-1(Г10

•3.45 настоящ. + 11.6 Работа

°^]Шуато1о,1982

Д 8.99 Тз1ц1,1988 -4.93 БгшШ.Шг

Иах-Ю"13

| 1-е-5.14 НкзЫс1а,1981

I II I МГ1| III |||||-III

0.1 1 10

( На*х=01уМих-Рг )

Рис.8 Распределения турбулентного напряжения трения и двух компонент вектора турбулентного теплового потока

других авторов. Видно хорошее совпадение данных по продольному потоку тепла. Величина дх максимальна между вязким подслоем и максимумом продольной скорости. Профили напряжения турбулентного трения качественно близки к большинству данных других авторов, однако вблизи стенки обнаруживается существенное количественное отличие, вызванное по всей видимости теми же причинами, что и отличие в уровне пульсаций скорости. По-видимому, по этой же причине наши результаты по

измерению ду заметно отличаются от немногочисленных данных других

авторов. На рис.8 также видно, что максимум средней скорости расположен немного ближе к стенке, чем координата, где турбулентное трение обращается в ноль.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика измерения малых скоростей в неизотермических потоках с большой степенью турбулентности.

2. Разработан метод калибровки термоанемометрических датчиков. Создана экспериментальная установка, позволяющая калибровать датчики при скоростях от 1 до 50см/с и температурах воздуха от 20 до 80°С.

3. На основе обобщения и анализа имеющихся в литературе данных по смешанной конвекции от тонких нитей и толстых цилиндров определён диапазон применимости термоанемометрического метода при измерении малых скоростей. Получены новые критериальные зависимости.

4. С использованием новой методики проведены измерения скорости в свободноконвективном пограничном слое. Сравнение полученных результатов с аналогичными имеющимися в литературе подтвердило работоспособность предлагаемого метода измерений и, соответственно, метода калибровки.

5. Измерены напряжение трения и тепловой поток на поверхности для трёх режимов течения и предложены новые аппроксимационные зависимости от числа Грасгофа.

6. Во всей области течения определены границы пристенной зоны, характеризующейся линейным профилем средней температуры и кубическим профилем средней продольной скорости.

7. Проведена экспериментальная проверка существования слоя выталкивающей силы. Получено, что если тепловой слой можно чётко выделить, то динамический слой не играет самостоятельной роли в структуре свободноконвективного пограничного слоя.

8. Измерения интенсивности турбулентных пульсаций скорости и температуры показали, что в развитом турбулентном свободнокон-вективном потоке максимальное значение интенсивности пульсаций температуры составляет около 0.16-0.18, а скорости - до 0.40, что существенно превышает соответствующие величины в вынужденно-конвективных течениях.

9. В зоне перехода отмечена особенность поведения профилей дисперсии пульсаций скорости и температуры: она выражается в образовании двух максимумов на профилях в начале зоны перехода, которые сливаются в один максимум в зоне развитого турбулентного режима.

10. Показано, что для определения границ зоны перехода не существует единого параметра. Представлены результаты, характеризующие поведение различных параметров потока в зоне перехода.

11. Отмечается существенная консервативность профилей осреднён-ных скорости и температуры в начале переходной области, и в то же время в конце зоны перехода наблюдается очень быстрое изменение формы профилей к виду, характерному для развитого турбулентного режима.

12. Измерены профили турбулентного напряжения трения, а также продольной и нормальной составляющих вектора турбулентного теплового потока. Проанализировано поведение этих характеристик и определены особенности, характерные для данного типа течений.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Кузьмицкий В.А., Чумаков Ю.С. Установка для статической калибровки термоанемометра при малых скоростях в неизотермической воздушной среде // ТВТ, 1995, т.ЗЗ, №1, с.116-120.

2. Chumakov Yu.S., Kuzmitsky V.A. Measurements of velocity fluctuation characteristics in low-speed non-isothermal flow // Abstract of papers Int. Symposium Heat Transfer Enhancement in Potçer Machinery, Moscow, Russia, 25-30 May 1995, pt.l, p.121-124.

3. Кузьмицкий В.А., Чумаков Ю.С. Измерение пульсационных характеристик скорости в свободноконвективном потоке // С.-Петерб. гос. тех. ун-т. - С.-Пб., 1995, 16с. - Деп. в ВИНИТИ 29.03.95, №852-В95.

4. Кузьмицкий В.А., Чумаков Ю.С. Экспериментальное исследование структуры турбулентного свободноконвективного пограничного слоя// Труды III Минского международного форума по теплообмену, Минск, 20-24 мая 1996, т.1, Конвективный тепломассообмен, ч.2, с. 101-106.

5. Chumakov Yu.S., Kuzmitsky V.A. Study of Near-Wall Region of a Free-Convection Boundary Layer // 2nd ERCOFTAC Workshop on Large Eddy Simulation, Grenoble (France), 16 - 20 September, 1996.