Экспериментальное исследование влияния поверхностных углублений на теплообмен и сопротивление в потоке сжимаемого газа

Титов, Александр Андреевич

Экспериментальное исследование влияния поверхностных углублений на теплообмен и сопротивление в потоке сжимаемого газа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Титов, Александр Андреевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Экспериментальное исследование влияния поверхностных углублений на теплообмен и сопротивление в потоке сжимаемого газа»

Автореферат диссертации на тему "Экспериментальное исследование влияния поверхностных углублений на теплообмен и сопротивление в потоке сжимаемого газа"

На правах рукописи

Титов Александр Андреевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ УГЛУБЛЕНИЙ НА ТЕПЛООБМЕН И СОПРОТИВЛЕНИЕ В ПОТОКЕ СЖИМАЕМОГО ГАЗА

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010

4843594

Работа выполнена в НИИ механики МГУ

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, академик РАН

Леонтьев Александр Иванович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Кузма-Кичта Юрий Альфредович;

кандидат технических наук Ивочкин Юрий Петрович

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

(СПбГПУ)

Защита состоится «3

декабря

2010 г. в'Д1 чР-й7

мин. на заседании

Диссертационного совета Д 002.110.02 Объединенного института высоких температур РАН по адресу: г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.

Ваш отзыв на автореферат в 2-х экз., заверенный печатью организации, просим выслать по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, ОИВТ РАН, ученому секретарю Диссертационного совета Д 002.110.02. Телефон для справок: 8(926)526-10-29.

Автореферат разослан «_

2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор физико-математических наук

A.JI. Хомкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В современных и перспективных теплоэнергетических установках теплообменное оборудование составляет основную или заметную часть по габаритам, металлоемкости и функциональному значению и во многом определяет общие технико-экономические показатели установок. Таким образом, одним из главных путей повышения экономичности энергоустановок является совершенствование теплообменного оборудования с помощью внедрения эффективных способов передачи тепла. Посредством интенсификации теплообмена увеличивается количество тепла, передаваемого через единицу поверхности теплообмена, и, соответственно, уменьшаются массогабаритные показатели теплообменника, достигается более выгодное соотношение между передаваемым количеством тепла и мощностью, затрачиваемой на прокачивание теплоносителей. Высокое техническое качество интенсифицированного теплообменного оборудования улучшает общие характеристики энергоустановки.

В последние годы большое внимание уделяется вихревой интенсификации теплообмена, в частности применению теплопередающих поверхностей со сферическими углублениями, которые способствуют возникновению крупномасштабных вихревых структур. Особенностью данного способа является наличие режимов течения, при которых интенсификация теплообмена опережает рост гидравлического сопротивления. Причем, при определенных обстоятельствах гидравлическое сопротивление «облуненных» поверхностей может оставаться на уровне гидравлического сопротивления гладкой поверхности. К достоинству данного метода также можно отнести простую технологию изготовления теплообменных поверхностей.

Еще одна интересная особенность «облуненных» поверхностей, как и всех поверхностей с регулярным рельефом, проявляется при обтекании их сверхзвуковыми потоками. В этом случае экспериментально получено снижение равновесной температуры поверхности, при существенной интенсификации теплообмена. Данное обстоятельство позволяет говорить о перспективности использования таких поверхностей еще в одной очень важной области энергетического оборудования - устройствах газодинамической температурной стратификации (труба Леонтьева).

Однако, существует ряд факторов, препятствующих широкому распространению такого типа интенсификации теплообмена: несогласованность данных (как экспериментальных, так и расчетных) у различных авторов, проводивших исследования в данной области; сложности при проведении численных исследований дозвукового обтекания «облуненных» поверхностей и практически невозможное в настоящее время проведение расчетов при сверхзвуковых режимах течения. Все эти факторы требуют проведения более тщательных экспериментальных исследований с применением современного высокоточного оборудования.

Актуальность представленной диссертационной работы заключается в том, что исследований теплообмена и сопротивления при сверхзвуковом обтекании рельефных поверхностей с углублениями очень мало, а имеющиеся работы посвящены либо изучению параметров теплообмена, либо только измерению сопротивления. В данной работе представлены новые экспериментальные данные по измерению параметров теплообмена и сопротивления поверхности с регулярно расположенными полусферическими углублениями. Эксперименты проведены с применением современного измерительного оборудования.

Целью данной работы является исследование влияния регулярно расположенных полусферических углублений на параметры теплообмена и сопротивление поверхности при обтекании ее потоком сжимаемого газа. Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнение обзора опубликованных работ по «луночной» тематике, а также методам измерения поверхностного трения в высокоскоростных потоках.

2. Выбор методов экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи, восстановления температуры и сопротивления.

3. Разработка, создание и отладка экспериментального стенда для проведения исследований по выбранным методикам.

4. Проведение непосредственно экспериментальных исследований и обработки полученных в ходе эксперимента данных.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Создан уникальный экспериментальный стенд, позволяющий в одном эксперименте определять параметры теплообмена (коэффициент теплоотдачи, коэффициент восстановления температуры при сверхзвуковых скоростях потока) и сопротивление рельефных поверхностей, как при дозвуковых, так и при сверхзвуковых скоростях потока.

2. Предложена и отработана эффективная методика определения параметров теплообмена и сопротивления рельефных поверхностей с применением современного измерительного оборудования.

3. Получены новые экспериментальные данные по сопротивлению поверхностей с полусферическими и траншейными углублениями в плоском канале при дозвуковых скоростях течения.

4. Впервые в одном эксперименте получены данные по коэффициентам теплоотдачи, восстановления температуры и сопротивлении одновременно для двух исследуемых поверхностей.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием современных аттестованных средств измерения и апробированных методик определения параметров, расчетом погрешности измерения, согласованием полученных экспериментальных данных с общеизвестными данными (как теоретическими, так и экспериментальными) других авторов.

Практическое значение. Результаты представленных исследований могут быть использованы при проектировании современного высокоэффективного

теплообменного оборудования, исследователями в области численного моделирования для проведения тестовых расчетов (валидации) на существующих, а также вновь разрабатываемых, программных комплексах. Также данные результаты могут быть интересны для разработчиков высокоскоростных летательных аппаратов, подверженных аэродинамическому нагреву, при расчетах тепловых нагрузок. Еще одно направление, где могут быть применены результаты представленных исследований - повышение эффективности устройств газодинамической температурной стратификации (труба Леонтьева). При выполнении поверхностных углублений со стороны сверхзвукового канала длина устройства уменьшается (при заданном количестве передаваемого тепла), при этом снижается и температура охлаждаемого газа (за счет снижения коэффициента восстановления температуры).

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и получили одобрения на 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5, 2010г., МЭИ, г. Москва); на 14-ой международной конференции по теплообмену (14th International Heat Transfer Conference, Вашингтон, США, 2010г.); на 16 и 17-й Школе семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (г..Санкт-Петербург и г. Жуковский, ЦАГИ, 2007-2009гг.); на 9-ой Международной научной конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Украина, г. Алушта. 2009г.); на конференции «Ломоносовские чтения» (МГУ, Москва, 2009г.); на конференции молодых ученых (МГУ, Москва, 2010г.); на 10-ой международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (Украина, г. Евпатория, 2010г.), на XVI Школе-семинаре «Современные проблемы аэрогидродинамики» (г. Сочи, 2010г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 17 печатных работах в научных изданиях, 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 2 доклада в иностранных издательствах в трудах Международных конференций.

Личный вклад автора состоял в проведении обзора ранее выполненных исследований в области интенсификации теплообмена и в области измерения сопротивления рельефных поверхностей; разработке на основе проведенного обзора и создании экспериментального стенда; проведении серии экспериментальных исследований при дозвуковых скоростях течения потока; проведении экспериментальных исследований и обработке экспериментальных данных по коэффициентам теплоотдачи, сопротивления и восстановления температуры при сверхзвуковом обтекании поверхности с полусферическими лунками; а также подготовке статей и докладов по теме исследования на конференциях и для публикации в рецензируемых журналах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. По

объему работа содержит 136 страниц, включая 110 рисунков и 8 таблиц по тексту диссертации. Библиография имеет 104 наименования.

На защиту выносятся:

1. Методика определения параметров теплообмена (коэффициентов теплоотдачи, коэффициента восстановления температуры для сверхзвуковых скоростей потока режима) и сопротивления рельефных поверхностей.

2. Результаты экспериментального исследования сопротивления поверхностей с лунками полусферической и траншейной формы в плоском канале при дозвуковых скоростях течения потока.

3. Результаты экспериментального исследования параметров теплообмена (коэффициентов теплоотдачи, коэффициента восстановления температуры) и сопротивления поверхности с полусферическими углублениями, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены цели работы, ее актуальность, научная и практическая значимость решаемых задач, кратко описано содержание работы. Первая глава носит обзорный характер и разделена на две части. В первой рассмотрены экспериментальные работы, посвященные исследованию теплогидравлических характеристик поверхностей с лунками полусферической и траншейной формы. Вторая часть посвящена обзору экспериментальных исследований по измерению сопротивления гладких и рельефных поверхностей методом плавающего элемента. Из проведенного анализа работ сделан вывод о необходимости новых достоверных экспериментальных данных по сверхзвуковому обтеканию облуненных поверхностей. В заключении первой главы сформулированы основные цели работы.

Во второй главе представлена принципиальная схема экспериментального определения теплогидравлических характеристик рельефных поверхностей, как при дозвуковых, так и при сверхзвуковых скоростях набегающего потока. Предложенная схема измерения разработана с учетом выполненного в первой главе обзора. Также приведено описание экспериментального стенда, созданного для отработки выбранной методики измерения сопротивления рельефных поверхностей. Приведены результаты экспериментального определения сопротивления поверхностей с полусферическими и траншейными углублениями.

Схема экспериментального стенда и методика измерения. Разработанная схема экспериментального стенда предполагает измерение сопротивления исследуемых поверхностей методом непосредственного взвешивания (плавающего элемента), а измерение параметров теплообмена осуществляется нестационарным методом, по темпу охлаждения исследуемых поверхностей, с использованием тепловизионного оборудования, (см. рис. 1). При этом указанные параметры измеряются в одном эксперименте для двух поверхностей (одна из которых рельефная, а другая - гладкая). При этом использование современного измерительного оборудования, программного

обеспечения, высокопроизводительных компьютеров позволяет отслеживать указанные выше параметры в режиме реального времени.

Данные методы измерения могут быть применены как при дозвуковых скоростях течения, так и при сверхзвуковых скоростях потока. Особенность такой постановки эксперимента заключается в том, что измерительное оборудование не вносит возмущений в поток (что особенно важно при сверхзвуковых скоростях течения) и не нарушает целостности материала исследуемых пластин.

Для отработки измерительного оборудования (главным образом наиболее сложной его части - тензовесовой системы) и методики определения теплогидравлических характеристик рельефных поверхностей, а также для получения новых достоверных экспериментальных данных по коэффициентам сопротивления поверхностей с полусферическими и траншейными углублениями были проведены исследования при дозвуковых (от 20 до 100м/с) скоростях потока.

Рис. 1. Схема измерения параметров теплообмена и гидравлического сопротивления при проведении экспериментальных исследований.

Экспериментальная установка для дозвуковых скоростей течения потока.

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2. Установка работает по принципу нагнетания и состоит из высоконапорного центробежного вентилятора (1), частотного преобразователя (2), предназначенного для плавного регулирования частоты вращения вентилятора и соответственно, изменения скорости потока в канале. Далее расположены: форкамера (3), сопло (4) и рабочий канал (5), которые для исключения влияний вибрации от вентилятора смонтированы на отдельной опорной раме (6), а

Тепловизор

Нестационарный метод

У Ми

между вентилятором и форкамерой установлен мягкий соединительный рукав (7). Для разрушения вихревых структур и получения равномерного потока воздуха в рабочем канале в форкамере установлены сетки-детурбулизаторы и хонейкомб. Для исследования тепловых характеристик поверхностей над рабочим участком канала может быть установлен тепловизор (9).

Рабочая часть установки представляет собой плоский канал длиной 1 м., шириной 0,3 м. и высотой 0,03 м. Нижняя стенка канала выполнена секционной (состоит из трех равных частей). Вместо последней секции на участке развитого турбулентного течения устанавливался экспериментальный стенд, схема которого представлена на рис. 3.

2 1 7 3 4 5 9

Сопротивление исследуемых поверхностей определяется методом непосредственного взвешивания, для чего, с учетом выполненного обзора экспериментальных работ по измерению сопротивления как гладких, так и рельефных поверхностей, разработан и изготовлен специальный упругий элемент. Форма упругого элемента представляет собой сдвоенный параллелограмм (см. рис. 3-4) на каждую половину которого может быть установлена либо гладкая, либо исследуемая поверхность, а центральная часть жестко крепится к основанию стенда (см. рис.3). Т.е. каждая исследуемая поверхность закреплена на горизонтальной консольной двухопорной балке, которая может воспринимать деформации только в одном направлении (однокомпонентные тензометрические весы).

Тензодатчики наклеены на четыре гибких элемента (в местах наибольших деформаций) каждого параллелограмма, при этом два датчика работают на растяжение, два на сжатие, и тем самым образуют полный измерительный мост.

Геометрические параметры исследуемых поверхностей представлены в таблице 1. Первые две поверхности покрыты полусферическими углубления-

ми. 3-я и 4-я поверхности покрыты одинаковыми траншейными углублениями, но отличаются взаимным расположением углублений (см. рис. 5-6). Все углубления выполнены одним инструментом (сферической фрезой). Размер исследуемых поверхностей - 100x125 мм. Материал пластин - оргстекло.

Рис. 3. Схема расположения исследуемых поверхностей на упругом элементе.

Рис. 4. Схема упругого элемента.

Таблица 1. Геометрические параметры углублений.

№ поверхности (1, мм в, мм Ь, мм а, град. 1ь мм Х2, мм Кол-во лунок

1 8,5 8,5 1,25 - 20 12 44

2 6,5 6,5 1 - 20 12 44

3 8,5 17 1,25 45 16 16 38

4 8,5 17 1,25 45 16 16 38

с(

\г ., 0(

Рис. 5. Геометрические характери- Рис. 6. Геометрические характеристики и схема расположения углубле- стики и схема расположения углуб-ний на поверхности 3. лений на поверхности 4.

Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 7 в виде зависимости отношения коэффициента сопротивления облуненой поверхности к коэффициенту сопротивления гладкой поверхности, измеренном в том же эксперименте, от числа Рейнольдса. В качестве характерного размера принят гидравлический диаметр канала.

В результате выполненных экспериментальных исследований сопротивления поверхностей с полусферическими углублениями получено, что при определенных параметрах потока и геометрических параметрах углублений сопротивление рельефной поверхности может быть на уровне сопротивления (трения) гладкой поверхности. Результаты экспериментальных исследований сопротивления поверхностей с траншейными углублениями показали, что поверхности с данной формой углублений обладают большим (на 15-20%) сопротивлением, чем поверхности с полусферическими лунками той же глубины, во всем исследованном диапазоне чисел Рейнольдса.

Cfa Cfm

1,75 1,5 1,25 1

0,75

♦ Поверхность 1 ^ Поверхность 2

• Поверхность 3 ♦ Поверхность 4 . f

♦ ♦

♦ ♦ • • • ♦ • «• ♦ . ♦ , . ♦ • • • •

• • • -: .v ♦

f ж* * i ll'i' li, i" 4 * * . 1

1 4 A

50000 100000 150000 200000 250000 300000 Re

Рис. 7. Результаты измерения сопротивления поверхностей с углублениями сферической и траншейной формы (номера поверхностей соответствуют номерам поверхностей в таблице 1).

В третьей главе приведены результаты экспериментального определения теплогидравлических характеристик (коэффициента теплоотдачи, восстановления температуры и сопротивления) поверхности со сферическими лунками при сверхзвуковой скорости набегающего потока. В экспериментах использовался стенд, аналогичный описанному во второй главе, но несколько конструктивно измененный в силу значительно больших усилий, действующих на исследуемые поверхности в сверхзвуковых потоках. Описание экспериментальной установки.

Исследования проводились в лаборатории 108 НИИ механики МГУ на сверхзвуковой аэродинамической установке А-11, схема которой показана на рис. 8. Установка работает следующим образом: компрессорная станция создает необходимое для работы установки давление в газгольдерах (7 атм). Воздух, пройдя по системе трубопроводов, попадает в форкамеру с установленными сетками и хонейкомбом. После форкамеры равномерный шток попадает в плоское сверхзвуковое сопло и далее в рабочую часть. Ширина рабочей части -250мм, высота 320мм. Для использования тепловизионного оборудования при определении параметров теплообмена над рабочей частью изготовлено окно из поликристалла ZnSe, прозрачного для необходимого диапазона длин волн теплового излучения. За рабочей частью поток воздуха тормозится в сверхзвуковом диффузоре и выбрасывается в выхлопную шахту. Время работы установки на сверхзвуковом режиме при полностью наполненных газгольдерах составляет

около 7 минут. Число Маха набегающего потока 2,8, единичное число Рей-нольдса 5,5-107 1/м. Экспериментальный стенд.

Измерения проводились на стенде, конструкция которого аналогична конструкции стенда, используемого при дозвуковых скоростях потока (см. рис. 9). Так как величины измеряемых усилий в сверхзвуковом потоке достаточно велики, то в сверхзвуковых экспериментах был применен более жесткий упругий элемент, а также применены арретиры, фиксирующие исследуемые пластины при запуске и останове аэродинамической трубы.

Рис. 8. Схема сверхзвуковой аэродинамической установки (1 - форкамера; 2 - набор сеток и хонейкомб; 3 - измерители полного давления и температуры в форкамере; 4 - плоское сверхзвуковое сопло; 5 - тепловизор; 6 -экспериментальный стенд; 7 - экран из поликристалла ZnSe, ADC - аналого-цифровой преобразователь, PC - персональный компьютер).

тензометрические датчики

Рис. 9. Схема экспериментального стенда (слева) и упругого элемента (справа) (на схеме экспериментального стенда не показаны гладкая пластина и одна из боковых стенок; стрелкой указано направление потока). Обозначения: 1 - нож; 2 - исследуемая пластина; 3 - упругий элемент; 4 — основание.

Стенд устанавливался в рабочей части таким образом, что пограничный слой развивался с передней острой кромки ножа. Расстояние от передней острой кромки ножа до исследуемых поверхностей 115мм.

Исследуемые пластины (гладкие и рельефная) выполнены из оргстекла -материала с низким значением коэффициента теплопроводности, размеры исследуемых пластин - 105x105мм. Толщина пластин 5мм. Исследуемая рельефная пластина была покрыта сферическими углублениями глубиной 1 мм и диаметром 7 мм. Кромки углублений выполнены острыми. Углубления располагались в коридорном порядке с шагом по потоку 20 мм, поперек потока 11,5 мм. Увеличение площади поверхности за счет нанесения рельефа составило -1,3%. Метод определения коэффициента теплоотдачи.

Определение величины коэффициента теплоотдачи осуществляется нестационарным методом, используя экспериментально полученные при помощи тепловизионного оборудования последовательности температурных полей поверхностей исследуемых пластин.

Рассмотрим равномерно нагретое (до некоторой начальной температуры Тнач) тело, поверхность которого в момент времени т=0 начинает омывать поток с заданной температурой Тпот. Изменение профиля температуры по толщине тела Т(г,т) можно описать одномерным уравнением теплопроводности (1) для полуограниченного тела с граничными условиями третьего рода (2).

Л а2Г(г,г) дт р-С 8г2 ()

ХЪ1Ш+а.{Тпот - ДО, Г)] = 0; 7(00, Т) = тнач (2)

Начальное условие для этого случая: Пг,0) = Тиач (3)

При течении сжимаемого газа температура омывающего потока (ТП0т) принимается равной равновесной температуре стенки, которая может быть определена экспериментально для каждой исследуемой поверхности.

При заданных теплофизических свойствах материала омываемого тела и предположении о постоянстве по времени коэффициента теплоотдачи а, из решения указанного уравнения можно найти распределение температуры поверхности во времени Тпов(т)=Т(0,т):

в{т) = Тп°*(Г)~Т"т ~ 1 -ен2"г ■еф[н• , (4)

^л от ^нач

где Н=аЛ - относительный коэффициент теплообмена.

Экспериментально возможно провести измерение распределения Тпоа(т) и температуры торможения потока. Зная начальную температуру исследуемой поверхности Тнач можно рассчитать распределение во времени 8(т), для которого из (4) можно определить значение коэффициента теплоотдачи.

Определение коэффициента восстановления.

Коэффициент восстановления температуры определялся для каждой исследуемой пластины (как для гладкой, так и для рельефной) в каждом эксперименте.

г = 1 —

Т -Т

1+-

(5)

ок-\)-М\

Температура торможения потока измеряется в форкамере, а температура исследуемой поверхности Тст измеряется при помощи тепловизора. Измерение сопротивления.

Коэффициент сопротивления определялся как:

Р ~{ПХ +Я2)-^ + (3, +32 -М2

(6)

где Р - усилие измеренное тензовесами, Б - площадь пластины, Ббок - площадь торца пластины; Пь П2, Зь 32,33 - показания двух приемников давления расположенных в переднем зазоре и трех приемников давления, расположенных в заднем зазоре, соответственно; Р0 - статическое давление, М - число Маха. Оценка погрешности результатов измерений.

На основе формулы накопления погрешности, погрешность ДБ функции Р аргументов х, со случайными погрешностями Ах! (погрешность косвенного измерения), выражается через частные производные функции как:

ДБ = ±,

д¥ 5х{

Ах;

(7)

Если в качестве случайных погрешностей (Ах,) принимать погрешности единичного измерения (как правило, определяемых при статических тарировках соответствующих приборов), то для определения точности эксперимента в целом необходимо учитывать также динамические свойства приборов и ряд других факторов. Однако этим способом можно оценить влияние погрешностей, обусловленных различными факторами, на суммарную погрешность. В данном случае выражение имеет вид:

д^(/„/2,...у;)<

А/,

Л/2

+ ...+

¿Ф

(8)

Рассчитанные таким образом погрешности в определении параметров дали

следующие результаты:

•Погрешность в определении числа Маха потока составила ±0.019.

•Погрешность в определении температуры торможения потока определяется погрешностью термопары и составляет ±1°С.

•Погрешность в определении температуры поверхности модели определяется точностью тепловизионного оборудования и составляет 2% от предела измерения.

•Погрешность в определении коэффициента сопротивления составила ±5.7-10"5. •Погрешность в определении коэффициента восстановления температуры составила Дг=0,022 (2,5%).

•Максимальной ошибка в определении коэффициента теплоотдачи составляет порядка 15%. Результаты методических экспериментов.

Перед проведением основных экспериментов были проведены методические эксперименты с двумя гладкими поверхностями, в которых было проведено измерение равномерности температурного поля поверхностей, а также измерения коэффициентов теплоотдачи и сопротивления (трения). Определение коэффициента теплоотдачи во всех экспериментах, как для гладких поверхностей, так и в дальнейшем для рельефной, осуществлялось для области в центре каждой пластины (размер области - 60мм в направлении потока и 46 мм перпендикулярно направлению потока). При исследовании облуненной поверхности указанная область охватывала 12 углублений (3 ряда по 4 углубления). Измеренные значения коэффициентов теплоотдачи для двух гладких поверхностей отличались не более чем на 5,5%. Результаты измерения сопротивления (трения) на двух гладких поверхностях отличались не более 4,5%.

Сравнение полученных в ходе проведения тестовых экспериментов значений коэффициентов сопротивления (трения) и теплоотдачи с рассчитанными по общеизвестным зависимостям соответствующими значениями показало хорошее совпадение (в расчетах принималось, что турбулентный пограничный слой развивается от передней острой кромки ножа). Результаты экспериментов.

После проведения методических экспериментов с двумя гладкими пластинами, одна из них была заменена на рельефную и проведены экспериментальные исследования. На рис. 10 представлено распределение температур по линиям, указанным на термограмме.

Из представленных данных видно, что наибольшее снижение температуры происходит в области за лункой на расстоянии примерно равном половине диаметра - месте присоединения потока. В центре каждого углубления температура поверхности практически равна температуре гладкой поверхности (см. рис. 11).

Результаты измерения коэффициента сопротивления, теплоотдачи и восстановления температуры представлены в таблице 2.

Рис. 10. График распределение температур (б) по линиям на термограмме (а).

ПОТОК

а)

11,1°С

11,1'С

ПОТОК

а)

-о,2'С

б)

Рис. 11. Распределение температур по линиям с термограммы а) (красным цветом обозначено распределение температур вдоль линии по центру углубления, синим - вдоль линии за углублением).

Таблица 2. Результаты экспериментов

№ эксперимента № а/ас гл Ггл

1 * 1,19 0,88 0,91

2 1,69 1,2 0,88 0,91

3 1,65 1,17 0,88 0,90

4 1,68 1,2 0,88 0,90

*-в первом эксперименте не удалось с достаточной точностью измерить сопротивление поверхностей, т.к. было повреждено несколько приемников давления в зазорах между исследуемой поверхностью и корпусом модели, в результате чего не был учтен перепад давлений в зазорах.

Заключение.

Проведенные экспериментальные исследование влияния регулярного рельефа в виде полусферических лунок (отношение глубины к диаметру - 1:7) на параметры теплообмена и сопротивления при обтекании поверхности сверхзвуковым потоком. Интенсификация теплообмена составила порядка 20%, рост сопротивления составил порядка 70% (данные приведены относительно гладкой поверхности). Также на рельефной поверхности зафиксировано снижение коэффициента восстановления температуры (на 3% по сравнению с гладкой поверхностью). Распределение температуры на поверхности исследуемой рельефной пластины зафиксированное в ходе эксперимента показало, что наиболее интенсивное захолаживание происходит непосредственно за углублениями на расстоянии примерно равным половине диаметра углубления. При этом в центре углублений температура поверхности остается на уровне температуры гладкой поверхности. Данное распределение температур наблюдается для каждого углубления, вне зависимости от ряда.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе изученного опыта наиболее удачных исследований и имеющегося современного оборудования создан уникальный экспериментальный стенд, позволяющий в одном эксперименте проводить измерения сопротивления и параметров теплообмена одновременно для двух исследуемых поверхностей (проводить сравнительный эксперимент).

2. Выполнены экспериментальные исследования сопротивления поверхностей с полусферическими углублениями, в результате которых обнаружено, что при определенных параметрах потока и геометрических параметрах углублений сопротивление рельефной поверхности может быть на уровне сопротивления гладкой поверхности. Аналогичные экспериментальные исследования сопротивления поверхностей с траншейными углублениями показали, что поверхности с данной формой углублений обладают большим (на 15-20%) сопротивлением, чем поверхности с полусферическими лунками той же глубины, во всем исследованном диапазоне чисел Рейнольдса.

3. Впервые проведены экспериментальные исследование влияния регулярного рельефа в виде полусферических лунок (отношение глубины к диаметру - 1:7) на параметры теплообмена и сопротивления при обтекании поверхности сверхзвуковым потоком (число Маха 2,8). Интенсификация теплообмена составила порядка 20%, рост сопротивления составил порядка 70% (данные приведены относительно гладкой поверхности). Также на рельефной поверхности зафиксировано снижение коэффициента восстановления температуры (на 3% по сравнению с гладкой поверхностью).

4. Распределение температуры на поверхности исследуемой рельефной пластины зафиксированное в ходе эксперимента показало, что наиболее интенсивное захолаживание происходит непосредственно за лунками на расстоянии примерно равным половине диаметра углубления. В центре углублений температура поверхности остается на уровне температуры гладкой поверхности.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих изданиях, в том числе из списка, рекомендованного ВАК:

1. A.A. Титов. Экспериментальное исследование сопротивления и теплообмена на поверхности со сферическими углублениями в потоке сжимаемого газа // Известия РАН. Серия "Энергетика". 2010г. №6, с. 126-131.

2. Ю.А. Виноградов, А.Г. Здитовец, Н.В. Медвецкая, М.М. Стронгин, A.A. Титов. Экспериментальное исследование влияния вихреобразующего рельефа на сопротивление плоской поверхности // Тепловые процессы в технике. 2010.Т. 2. № 7. с.290-293.

3. Здитовец А.Г., Титов A.A. Влияние формы поверхности теплоизолированного стержня, омываемого сверхзвуковым потоком, на коэффициент восстановления температуры И Изв. РАН, Энергетика. 2007. №2 с. 111-117.

4. A.A. Titov, A.I. Leontiev, U.A. Vinogradov, A.G. Zditovets, М.М. Strongin. Experimental Investigation of Skin Friction Drag and Heat Transfer on the Surfaces With Concavities in Compressible Fluid Flow. Proceedings of the International Heat Transfer Conference (IHTC-14). August 8-13,2010, Washington, DC, USA. (IHTC14-22585).

5. C.A. Бурцев, Ю.А. Виноградов, А.Г. Здитовец, М.М. Стронгин, A.A. Титов / Исследования влияния рельефа поверхности на коэффициент восстановления температуры // Труды 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5). - М.: Изд-во МЭИ. 2010г. Т.2. с. 61-64.

6. Ю.А. Виноградов А.Г. Здитовец, Н.В. Медвецкая, М.М. Стронгин, A.A. Титов I Экспериментальное исследование влияния вихреобразующего рельефа на сопротивление плоской поверхности // Труды XVII Школы-семинара молодых ученых под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях" 25-29 мая 2009 г., г. Жуковский. В 2 томах. -М.: Издательский дом МЭИ, 2009. Том 2, с.41-44.

7. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Егоров К.С., Стронгин М.М., Титов A.A. / Метод исследования влияния вихреобразующего рельефа на процессы теплообмена на противоположной поверхности в плоском канале // Труды XVI Школы-семинара молодых ученых под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках"., 21-25 мая 2007г., Санкт-Петербург. В 2-х томах. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Том 2, с. 388-390.

8. A.A. Титов. Экспериментальное исследование соотношения сопротивления и теплообмена на поверхностях с вихреобразующим рельефом // Труды конференции-конкурса молодых ученых./ Под ред. Академика РАН Г.Г. Черного и проф. В.А. Сам-сонова. - М.: Изд-во Московского университета, 2009. с. 219-225.

9. Ю.А. Виноградов, А.Г. Здитовец, М.М. Стронгин, A.A. Титов. / Экспериментальное исследование влияния поверхностных углублений на сопротивление и теплообмен при течении сжимаемого газа // Тезисы доклада на десятой международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики». - М.: МЦНМО, 2010.- 192 с. с. 34-35.

10. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Стронгин М.М., Титов A.A. / Результаты измерения теплообмена и сопротивления поверхности с углублениями в потоке сжимаемого газа // Тезисы докладов XVI школы - семинара под руководством академика РАН Г.Г.Черного - М.: Изд-во Московского университета, 2010. - с.26-27.

11. Ю.А. Виноградов, А.Г. Здитовец, М.М. Стронгин, A.A. Титов. / Экспериментальное исследование соотношения теплообмена и сопротивления на поверхностях с углублением // Тезисы доклада на девятой международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики». - М.: МЦНМО, 2009.- 192 с. с. 35-36.

12. Ю.А. Виноградов, А.Г. Здитовец, М.М. Стронгин, A.A. Титов. Экспериментальное исследование сопротивления вихреобразующего рельефа. Тезисы 7-ой международной школы - конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» - Украина, Издательство НПВК «ТРИАКОН» 2009.-148 е., с. 2829.

13. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Стронгин М.М., Титов A.A. / Экспериментальное исследование влияния вихреобразующего рельефа на сопротивление плоской поверхности // Тезисы докладов научной конференции «Ломоносовские чтения». -М.: Изд-во Московского университета, 2009. - с.43.

14. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Стронгин М.М., Титов A.A. / Экспериментальное исследование нарушения аналогии Рейнольдса на поверхностях с вихреобра-зующим рельефом // Тезисы докладов XV школы - семинара под руководством академика РАН Г.Г.Черного - М.: Изд-во Московского университета, 2007. - с.92-93.

15. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Стронгин М.М., Титов A.A. / Стенд для экспериментального исследования теплогидравлических характеристик теплообменных поверхностей // Тезисы докладов научной конференции «Ломоносовские чтения». -М.: Изд-во МГУ. 2007. С. 49-50.

Титов Александр Андреевич

Автореферат

Подписано к печати 17.11.10 Формат 60x84/16 Печать офсетная Уч.-изд.л. 1.25 Усл.-печ.л. 1.16 Тираж 100 экз._Заказ №79_Бесплатно

ООО "ФЭД+", Москва, ул. Кедрова, д. 15, т. 774-2696

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Титов, Александр Андреевич

Основные обозначения и сокращения:.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

Часть 1. Обзор литературы по «луночной» интенсификации теплообмена.

История появления углублений.

Первые исследования обтекания поверхностей с углублениями.

Исследование обтекания одиночных углублений.

Исследования интенсификации теплообмена поверхностными углублениями при течении в каналах.

Исследования поверхностных углублений с формой, отличной от полусферической.

Обтекание рельефных поверхностей потоком сжимаемого газа.

Выводы по разделу:.

Часть 2. Обзор литературы по измерениям сопротивления гладких и рельефных поверхностей.

Косвенные методы.

Методы непосредственного измерения трения.

Теоретические исследования поверхностного трения на плоской поверхности.

Выводы по разделу:.

Глава 2. Экспериментальные исследования влияния формы поверхностных углублений на сопротивление при дозвуковых скоростях течения.

Экспериментальная установка и измерительное оборудование.

Система измерения.

Проведение тестовых экспериментов.

Формы исследованных поверхностных углублений.

Результаты экспериментальных исследований.

Введение диссертация по физике, на тему "Экспериментальное исследование влияния поверхностных углублений на теплообмен и сопротивление в потоке сжимаемого газа"

В современных и перспективных теплоэнергетических установках теплообменное оборудование составляет основную или заметную часть по габаритам, металлоемкости и функциональному значению и во многом определяет общие технико-экономические показатели установок. Таким образом, одним из главных путей повышения экономичности энергоустановок является совершенствование теплообменного оборудования с помощью внедрения эффективных способов передачи тепла. Посредством интенсификации теплообмена увеличивается количество тепла, передаваемого через единицу поверхности теплообмена, и, соответственно, уменьшаются массогабаритные показатели теплообменника, достигается более выгодное соотношение между передаваемым количеством тепла и мощностью, затрачиваемой на прокачивание теплоносителей. Высокое техническое качество интенсифицированного теплообменного оборудования улучшает общие характеристики энергоустановки.

В последние годы большое внимание уделяется вихревой интенсификации теплообмена, в частности применению теплопередающих поверхностей со сферическими углублениями, которые способствуют возникновению крупномасштабных вихревых структур. Особенностью данного способа является наличие режимов течения, при которых интенсификация теплообмена опережает рост гидравлического сопротивления. Причем, при определенных обстоятельствах гидравлическое сопротивление «облуненных» поверхностей может оставаться на уровне гидравлического сопротивления гладкой поверхности. К достоинству данного метода можно отнести простую технологию изготовления поверхностей, а также тот факт, что формование углублений на одной стороне поверхности приводит к появлению выступов на другой и интенсифицирует теплообмен.

Актуальность представленной диссертационной работы заключается в том, что исследований теплообмена и сопротивления при сверхзвуковом обтекании рельефных поверхностей с углублениями очень мало, а имеющиеся работы посвящены либо изучению параметров теплообмена, либо только измерению сопротивления. В данной работе представлены новые экспериментальные данные по измерению параметров теплообмена и сопротивления поверхности с регулярно расположенными полусферическими углублениями. Эксперименты проведены на высоком уровне с применением современного оборудования.

1. Выбор методов экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи, восстановления температуры и сопротивления.

2. Создание экспериментальной модели для проведения исследований по выбранным методикам.

3. Проведение непосредственно экспериментальных исследований и обработки полученных в ходе эксперимента данных.

Научная новизна работы заключается в том, что для поверхности с регулярно расположенными неглубокими лунками (отношение глубины лунки к диаметру - 1:7) получены новые экспериментальные данные по интенсификации теплообмена (на 20% по сравнению с гладкой поверхностью), росту сопротивления (на 70 % соответственно) и уменьшению коэффициента восстановления температуры (около 3%) при обтекании сверхзвуковым (число Маха 2,8) потоком воздуха.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и получили одобрения на 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5, г. Москва, МЭИ, 2010г.); 14-ой международной конференции по теплообмену (14th International Heat Transfer Conference, США, 2010г.); 16-й и 17-й Школе семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (2007г., 2009г.); XVI Школе-семинаре «Современные проблемы аэрогидродинамики» (г. Сочи, 2010г.); 9-ой и 10-ой международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (Украина, 2009-2010гг.); 9-ой Международной научной конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Украина,. 2009г.); на конференции «Ломоносовские чтения» (МГУ, Москва, 2009г.); на конференции молодых ученых (МГУ, 2009-2010 гг.).

Практическая ценность данной работы заключается в том, что полученные в ходе экспериментальных исследований данные могут быть использованы при проектировании теплообменных аппаратов для энергетического оборудования в расчетах поверхностей, подверженных аэродинамическому нагреву, устройств газодинамической стратификации, а также для валидации программных комплексов.

Автор благодарит научного руководителя академика РАН Леонтьева Александра Ивановича за его ценные идеи, постоянное и активное внимание к выполняемой работе; в.н.с. лаб 108 НИИ механики МГУ Виноградова Юрия Алексеевича, с.н.с. Здитовца Андрея Геннадиевича, Стронгина Марка Моисеевича за их активную помощь в подготовке и проведении исследований.

Спасибо Вам за поддержку. Без Вашей поддержки эта работа не была бы выполнена!

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

Выводы по разделу:

В результате проведенного анализа опубликованных работ по интенсификации теплообмена поверхностными углублениями можно сделать следующие выводы:

1. Первые экспериментальные исследования поверхностного трения на гладких поверхностях проводились, как правило, для оценки влияния сжимаемости и проверки и уточнения существующих теорий по расчету коэффициента трения в потоке сжимаемого газа.

2. В первых исследованиях применялись достаточно сложные конструкции упругого элемента (как правило, двухопорные консольные балки) с индуктивным датчиком с подвижным сердечником. Применение тензометрических датчиков ограничивала величина деформации упругого элемента, которая в свою очередь ограничена величиной зазора между корпусом и плавающим элементом. Однако в настоящее время с появлением современного высокоточного оборудования появляется все больше экспериментальных исследований с применением тензометрических датчиков [53].

3. В настоящее время, существующее высокоточное измерительное оборудование позволяет применять достаточно простые конструкции плавающих элементов, даже для измерения поверхностного трения в высокотемпературных потоках, в связи с этим наблюдается тенденция к упрощению экспериментальных моделей, при этом существенно повышается уровень используемого измерительного и регистрирующего оборудования и точность проводимых исследований.

4. В подавляющем количестве экспериментальных работ измеряется коэффициент трения для гладких (либо шероховатых) поверхностей, в то время как работ по измерению сопротивления рельефных поверхностей мало, а измерения сопротивления облуненных поверхностей в потоке сжимаемого газа не проводилось.

5. Вследствие того, что при обтекании поверхностных углублений генерируются сложные нестационарные струйно-вихревые структуры, применение косвенных методов измерения трения невозможно, и в этих условиях метод «плавающего элемента» позволяет получить наиболее точные данные.

6. Расчет коэффициента трения для гладкой поверхности по общеизвестным на сегодняшний день методам расчета (метод определяющей температуры, предельный закон трения и др.) дает разброс в значениях в пределах 5-7%, что в определенной мере создает трудности в сопоставлении значения коэффициента трения полученного на гладкой поверхности в ходе эксперимента и рассчитанного теоретически.

Глава 2. Экспериментальные исследования влияния формы поверхностных углублений на сопротивление при дозвуковых скоростях течения

Для получения новой информации о влиянии регулярно расположенных поверхностных углублений как полусферической, так и траншейной формы на интенсификацию теплообмена и сопротивление при течении в канале, а также влиянии полусферических углублений на параметры теплообмена (коэффициент теплоотдачи и коэффициент восстановления температуры) и сопротивление при сверхзвуковом обтекании был разработан и создан стенд, на котором выполнены экспериментальные исследования. Данный стенд позволяет измерять коэффициент сопротивления, коэффициент теплоотдачи и коэффициент восстановления температуры в одном эксперименте одновременно для двух исследуемых поверхностей, расположенных в потоке параллельно (т.е. проводить сравнительный эксперимент).

С учетом проведенного обзора методов экспериментального определения теплогидравлических характеристик рельефных поверхностей, как при дозвуковых скоростях потока, так и при сверхзвуковых, на данном стенде была реализована следующая схема измерения указанных выше параметров (см. рис. 54). Сопротивление поверхности определяется методом непосредственного взвешивания, для чего разработан и изготовлен специальный упругий элемент. Параметры теплообмена определяются при помощи тепловизионного оборудования, причем коэффициент теплоотдачи рассчитывается по темпу охлаждения на нестационарном режиме. Данные методы измерения могут быть применены как при дозвуковых скоростях течения, так и при сверхзвуковых- скоростях потока. Особенность такой постановки эксперимента заключается в том, что измерительное оборудование не вносит возмущений в поток (что особенно важно при сверхзвуковых скоростях течения) и не нарушает целостности материала исследуемых пластин.

Нестационарный метод +

Тепловизор

N11

Измерение сопротивления прямым (весовым) методом)

Рис. 54. Схема измерения параметров теплообмена и гидравлического сопротивления при проведении экспериментальных исследований.

Экспериментальная установка и измерительное оборудование

Экспериментальные исследования при дозвуковых скоростях потока проводились в Институте механики МГУ на малой аэродинамической установке (см. рис. 55, 56), работающей по принципу нагнетания. Установка состоит из высоконапорного центробежного вентилятора (В.Ц6-20-8-01, фирма "МОВЕН", Россия) (1), частотного преобразователя (VFD450F43A, фирма "Delta Electronics, Inc", Китай) (2), предназначенного для плавного регулирования частоты вращения вентилятора и соответственно, изменения скорости потока в канале. Далее расположены: форкамера (3), сопло (4) и рабочий канал (5), которые для исключения влияний вибрации от вентилятора смонтированы на отдельной опорной раме (6), а между вентилятором и- форкамерой установлен мягкий соединительный рукав, изготовленный из брезента (7). Для разрушения вихревых структур и получения равномерного потока воздуха в рабочем канале в форкамере установлены две сетки-детурбулизаторы и спрямляющяя решетка (хонейкомб). Для исследования тепловых характеристик поверхностей над рабочим участком канала может быть установлен тепловизор (9).

2 1 7 3 4 5 9

Рис. 55. Схема экспериментальной установки.

Рис. 56. - Общий вид малой аэродинамической установки Института механики

МГУ.

Рабочая часть установки представляет собой плоский канал длиной 1 м., шириной 0,3 м. и высотой 0,03 м. Нижняя стенка канала выполнена секционной (состоит из трех равных частей). Вместо одной из секций монтируется экспериментальный стенд. На данном стенде, в зависимости от размещения экспериментального стенда, возможно проведение экспериментальных исследований, как в начальном участке канала, так и на участке развитого турбулентного течения. При проведении представленных в данной работе экспериментов исследуемые пластины располагались в конце канала на участке полностью развитого турбулентного течения. В каждом эксперименте параллельно исследуемой поверхности устанавливалась гладкая.

Система измерения

Сбор и обработка экспериментальных данных осуществляется с помощью современного специализированного оборудования, состоящего из коннекторного блока SCB-100, аналого-цифрового преобразователя N1 6071Е, рассчитанного на 64 канала (производитель — National Instruments, США), подключенного в высокопроизводительному ПК. Так же используется программное обеспечение Lab View (разработчик также National Instruments, США), что позволяет проводить запись и обработку данных в автоматическом режиме, а также отображать результаты измерения в режиме реального времени. За один отчет (длительность 1с.) происходит съем 1000 показаний с каждого датчика и выдается средняя величина сигнала.

Для измерения давлений использовались датчики фирмы Honeywell, для измерения температуры — хромель-капелевые термопары с холодным спаем, термостатированным при 0°С.

В процессе проведения экспериментов измерялись следующие параметры потока: полное и статическое давления на входе в канал и перед экспериментальными поверхностями, а так же температуры в указанных сечениях. Помимо этого измерялись и значения усилия оказываемого потоком на исследуемые поверхности.

Упругий элемент, используемый в тензовесах, разработан с учетом выполненного обзора экспериментальных работ по измерению сопротивления как гладких, так и рельефных поверхностей. Форма упругого элемента представляет собой сдвоенный параллелограмм (см. рис. 57, 58) на каждую половину которого может быть установлена либо гладкая, либо исследуемая поверхность, а центральная часть жестко крепится к основанию стенда (см. рис.59). Т.е. каждая исследуемая поверхность закреплена на горизонтальной консольной двухопорной балке, которая может воспринимать деформации только в одном направлении (однокомпонентные тензометрические весы).

Для проведения экспериментальных исследований было рассчитано и изготовлено три упругих элемента различной жесткости (для разных скоростей потока - от малых дозвуковых до сверхзвуковых). Каждый упругий элемент изготовлен с высокой точностью на станке с ЧПУ. В качестве материала упругого элемента выбрана высоколегированная сталь (38ХС) с высоким содержанием хрома, что обеспечивает хорошие упругие свойства и долговечность при циклических нагрузках.

Рис. 57. Схема упругого элемента.

Рис. 58. Фотография упругого элемента для исследований при дозвуковых скоростях потока.

Рис. 59. Схема расположения исследуемых поверхностей на упругом элементе.

Так как величины деформаций упругого элемента малы (перемещения пластин при максимальной скорости набегающего потока не превышали 0,1 мм), то сигналы с плавающего элемента усиливались при помощи специально разработанного и изготовленного в НИИ механики МГУ усилителя (коэффициент усиления - 1000).

Размер исследуемых поверхностей - 100x125 мм. Материал пластин — оргстекло. Перед каждым экспериментом рабочая поверхность пластин и базовая нижняя поверхность канала притирались совместно.

Проведение тестовых экспериментов

Проведению экспериментальных исследований предшествовало изучение течения в гладком канале. Были измерены профили скорости перед моделью на различных режимах работы установки. Для этого было изготовлено координатное устройство с приемником полного и статического давлений (см. рис. 60). Координатное устройство работало в автоматическом режиме, а управление осуществлялось при помощи специально созданной в среде Lab View программы. Вид окна программы в процессе эксперимента представлен на рис. 61. Шаг перемещения приемника 0,25 мм.

На рис. 62 представлены результаты промера профиля скоростей перед экспериментальной моделью для трех различных режимов работы установки.

Для тестирования тензометрических весов были проведены эксперименты с двумя гладкими поверхностями. На рис. 63 представлены показания весов для различных режимов работы установки (так как тарировка весов проводилась при помощи набора эталонных мер весов, то показания усилия, оказываемого на исследуемые поверхности, приведены в граммах). Максимальный разброс показаний не превышал 5%.

Рис. 60. Координатное устройство с приемниками полного и статического давления.

Г> exp step l.vi

3» £<* apwete Ioob »o»se SMow b* mm«] отсчёт stop параметры потока

Рр РЙ

1724,5) 505,58;

N текущей позщии коордтатм*та 2

19,977: V

45,2301

74 И положение зонда (мм) 2

18,50

ТА Control

Рис. 61. Окно программы для работы с координатным устройством в процессе эксперимента.

Высота канала, мм

Рис. 62. Измерения профили скорости по высоте канала перед рабочим участком с двумя гладкими поверхностями. (1 — скорость на входе в канал, 2 — турбулентный профиль скорости, 3 — измеренный профиль скорости).

Рис. 63. Показания тензовесов с двумя гладкими поверхностями при различных скоростях набегающего потока.

Формы исследованных поверхностных углублений

Геометрические параметры исследуемых поверхностей представлены в таблице 7. Первые две поверхности покрыты полусферическими углублениями. 3-я и 4-я поверхности покрыты одинаковыми траншейными углублениями, но отличаются взаимным расположением углублений (см. рис. 64-65). Все углубления выполнены одним инструментом (сферической фрезой). Фотографии исследованных пластин представлены на рис. 66 (номера пластин на рисунке соответствуют номерам пластин в таблице 7).

На рис. 67 представлены фотографии нижней поверхности стенда с установленной рельефной поверхностью с траншейными углублениями. V 0 / / / / г г \ // м у

Рис. 64. Геометрические характеристики и схема расположения углублений на поверхности 3.

Рис. 65. Геометрические характеристики и схема расположения углублений на поверхности 4.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Титов, Александр Андреевич, Москва

1. Bearman P.W., Harvey J.K. Golf ball aerodynamics. Aeronautical quarterly. 1976. Vol. 27, p. 112.

2. Mehta R.D. Aerodynamics of sport balls. Annual review of fluid mechanics. 1985. Vol. 17, p. 151.

3. Г.И. Кикнадзе, И.А. Гачечиладзе, B.B. Алексеев. Самоорганизация смерчеобразных струй в потоках вязких сплошных сред и интенсификация тепломассообмена, сопровождающая это явление. М.: Изд-во МЭИ, 2005г. -84 с.

4. Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ 5). М.: Изд-во МЭИ. 2010г. В печати.

5. B.C. Кесарев, А.П. Козлов. Структура течения и теплообмен при обтекании полусферического углубления турбулизированным потоком воздуха. Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение, 1993г. №1, с. 106-115.

6. М.К. Chyu, Y. Yu, Н. Ding, J.P. Downs, F.O. Soechting. Concavity enhancement heat transfer in an internal cooling passage. ASME Paper. 1997. 97-GT-437. 8p.

7. B.H. Афанасьев, В.Ю. Веселкин, А.И. Леонтьев и др. Гидродинамика и теплообмен при обтекании одиночных углублений на исходно гладкой поверхности: Препринт МГТУ им. Н.Э. Баумана №2-91, 4.1. М.: Изд-во МГТУ, 1991,56с.

8. В.Н. Афанасьев, А.И. Леонтьев, Я.П. Чудновский. Теплообмен и трение на поверхностях, профилированных сферическими углублениями: Препринт МГТУ им. Н.Э. Баумана №1-90. М.: Изд-во МГТУ, 1990, 118с.

9. Власенко А.С., Маскинская А.Ю., Сергиевский Э.Д. Сопряженный теплообмен в канале с лунками на нижней поверхности // Труды 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ 4). М.: Изд-во МЭИ. 2006г. Т.8. с. 45-47.

10. Mahmood G I, Hill М L, Nelson D L, Ligrani P M, Moon H К & Glezer B. Local heat transfer and flow structure on and above a dimpled surface in a channel. //Proceedings of ASME TURBOEXPO 2000, May 8-11 2000, Munich Germany #2000-GT-230.

11. Burgess N.K., Ligrani P.M. Effects of dimple depth on Nusselt Numbers and Friction Factors for internal cooling in a channel // Proc. ASME Turbo Expo'50, Jun., 2004. -№ GT2004. 54232. - Vienna, 2004. - P. 1-10. - Austria.

12. Ligrani, P.M. and Burgess. N.K. and Won, S.Y. Nusselt numbers and flow structure on and above a shallow dimpled surface within a channel including effects of inlet turbulence intensity level. ASME Paper GT2004-54231, pp. 1-13,2004.

13. Nian Xiao, Qiang Zhang, Phillip M. Ligrani, Rajiv Mongia. Thermal performance of dimpled surfaces in laminar flows. International Journal of Heat and Mass Transfer.Volume 52, Issues 7-8, March 2009, Pages 2009-2017

14. Moon H.K., O'Connel Т., Glezer B. Channel height effect in heat transfer and friction in dimpled passage. ASME 99-GT-163. ASME Turbo Expo., Indianapolis, USA, 1999.

15. М.Я. Беленький, M.A. Готовский, Б.М. Леках, Б.С. Фокин, В.Б. Хабенский. Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик теплообменных поверхностей, формованных сферическими лунками. ТВТ, 1991г., т. 29, № 6, с. 1142-1147.

16. K.JI. Мунябин. Эффективность интенсификации теплообмена углублениями и выступами сферической формы. Теплофизика и аэромеханика, 2003г. Т. 10, №2. с.235-245.

17. Исаев С.А. Численное моделирование вихревого теплообмена в организованных и самоорганизующихся вихревых течениях // Труды XIII школы-семинара молодых ученых под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. Том 1. -М.: МЭИ, 2001. С.28-31.

18. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб:/ Ю.А. Быстров, С.А. Исаев, Н.А. Кудрявцев, А.И. Леонтьев. СПб.: Судостроение, 2005. - 392с.

19. С. Silva, D.Park, Е. Marotta, L. Fletcher. Optimization of fin performance in a laminar channel flow through dimpled surfaces // Trans. ASME. J. Heat Transfer, Vol: 131, No: 2 , published: 22 April 2009.

20. Исаев C.A., Леонтьев А.И. Проблемы моделирования вихревой интенсификации теплообмена на основе луночных технологий // Доклад на третьей международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», М/.МЭИ, 2008,16с.

21. Исаев С.А., Леонтьев А.И. Проблемы моделирования смерчевого при турбулентном обтекании рельефа с лунками на стороне узкого канала // ИФЖ, Том 83, №4. С.733-742.

22. Халатов A.A. Теплообмен и гидродинамика около поверхностных углублений (лунок). HAH Украины, Институт технической теплофизики - Киев,- 2005. — 76 с.

23. Кузма-Кичта Ю.А. Методы интенсификации теплообмена: Учебное пособие по курсу «Методы интенсификации теплообмена». — М. Издательство МЭИ, 2001. -112с.

24. Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А., Леонтьев А.И., Федик И.И., Холпанов Л.П. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро-, и наномасштабах. -М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2008.

25. Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Олимпиев В.В., Щелчков A.B., Каськов С.И. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. — Казань.: Центр инновационных технологий, 2009. 531 с.

26. Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А., Алексеев В.В. Самоорганизация смерчеобразных струй в потоках вязких сплошных сред и интенсификация теплообмена, сопровождающая это явление. М.: Изд-во МЭИ, 2005. 84с.

27. Боровой В.Я., Яковлев JI.B. Теплообмен при сверхзвуковом обтекании одиночной лунки // Механика жидкости и газа. 1991. № 5. С.48-52.

28. Боровой В.Я. Течение газа и теплообмен в зонах взаимодействия ударных волн с пограничным слоем. -М.: Машиностроение, 1983. 144с.

29. Здитовец А.Г., Титов А.А. Влияние формы поверхности теплоизолированного стержня, омываемого сверхзвуковым потоком, на коэффициент восстановления температуры // Изв. РАН, Энергетика. 2007. №2 с. 111-117.

30. Brinich, Paul F. Recovery temperatures and heat transfer near two-dimensional roughness elements atMach 3.1. NACA-TN-4213. 1958.

31. Леонтьев А. И. Температурная стратификация сверхзвукового газового потока // Доклады Академии Наук. 1997. - Т. 354, № 4. - С. 475-477.

32. П.А. Баранов, С.А. Исаев, А.И. Леонтьев, А.Е. Усачев. Численное моделирование снижение аэродинамического нагрева рельефа со сферическими и сотовыми лунками при сверх- и гиперзвуковых скоростях. РНКТ-4, т. 6. С. 158-161.

33. Froude, W., "Experiments on the Surface-friction Experienced by a Plane Moving through Water," 42nd British Association Report, pp.118-124, 1872

34. В.И. Корнилов. Проблемы снижения турбулентного трения активными и пассивными методами (обзор). Теплофизика и аэромеханика, 2005г., том 12, №2, стр. 183-208.

35. J. A. Shetz. Boundary Layer Analysis. Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1993.

36. Горлин C.M. Слезингер И.И. Аэромеханические измерения. Методы и приборы. М.: Наука, 1964.

37. Харитонов А. М. Техника и методы аэрофизического эксперимента. Ч. 2. Методы и средства аэрофизических измерений: учебник / А. М. Харитонов. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007.

38. A.Remington. A Study of Non-Fluid Damped Skin Friction Measurements for Transonic Flight Applications. Thesis for the degree of Master of Science in Aerospace Engineering. Blacksburg, USA. 1999.

39. S.Magill. Study of a direct measuring skin friction gage with rubber compounds for damping. Thesis for the degree of Master of Science in Aerospace Engineering. Blacksburg, USA. 1999.

40. A. Sang. Study of rubber damped skin friction gage for transonic flight testing. Thesis for the degree of Master of Science in Aerospace Engineering. Blacksburg, USA. 2001. .

41. Waltrup, P. J., Schetz, J.A. Supersonic Turbulent Boundary Layer Subjected to Adverse Pressure Gradients. AIAA J., vol. 11, №. 1, p. 50-57, 1973.

42. A.J. Rolling. Design of Gages for Direct Skin Friction Measurements in Complex Turbulent Flows with Shock Impingement Compensation. Thesis for the degree of doctor of philosophy in aerospace engineering. 2007.

43. T.T. Bui, B.J. Pipitone, K.L. Krake. In-flight capability for evaluating skin-friction gages and other near-wall flow sensors. NASA/TM-2003-210-738. 2003.

44. B.W. Henderson. An exploratory of the application of carbon nanotubes to skin friction measurement. Master of Science in Aerospace Engineering. Blacksburg, USA. 2004.

45. Winter K.G. An outline of the techniques aviable for the measurement of skin friction in turbulent boundary layer. Progress in the Aerospace Sciences. 1977, Vol. 18, pp. 1-57.

46. Nitsche, W., Haberland, C., Thunker, R. Comparative Investigation on Drag Measuring Techniques in Experimental Aerodynamics. ICAS-84-2.4.2, 14th ICAS Congress, Sept. 1984.

47. Kornilov V.I., Litvinenko Yu.A. Comparative analysis of the methods of skin friction measurement in a incompressible boundary layer. Preprint №1, 2001. RAN, Sib. Otd-nie, Institute of Theoretical and applayed mechanics.

48. JI.B. Козлов. Экспериментальное исследование поверхностного терния на плоской пластине в сверхзвуковом потоке при наличии теплообмена. Известия Академии Наук СССР, ОТН, Механика и машиностроение, №2, 1963г.

49. Прикладная аэродинамика: Учебник для втузов / Под ред. Н.Ф. Краснова.-М: Высшая школа, 1974.-731 с.

50. Falkner V.N. A new law for calculating drag//Aircraft engineering// vol. 15 №169, 1943, p65.

51. A.H. Shapiro. The dynamics and thermodynamics of compressible fluid flow. The Ronald press сотр. New York, 1954.

52. F. Frankl, V. Voishel. Turbulent friction in the boundary layer of a flat plate in a two-dimentional compressible flow at high speeds. NACA-TM-1053. 1943.

53. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. М.: Атомиздат, 1979.

54. S.C. Sommer, B.J. Short. Free-flight measurements of turbulent boundary layer skin friction in the presence of severe aerodynamic heating at Mach numbers from 2,8 to 7,0. NACA-TN-3391. 1955.

55. Van Driest, E R. Investigation of laminar boundary layer in compressible fluids using the Crocco method. NACA-TN-2597. 1952.

56. Кутателадзе C.C., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: «Энергия», 1972г. 344с.

57. Hopkins, Е. J.; Inouye, М.; Keener, Е. R.; Mateer, G. С.; Polek, Т. Е.; Rubesin, M.W., et al. Summary and correlation of skin-friction and heat-transfer data for a hypersonic turbulent boundary layer on simple shapes. NASA-TN-D-5089, 1969.

58. K. Higgins. Comparison of Engineering Correlations for Predicting Heat Transfer in Zero-pressure-gradient Compressible Boundary Layers with CFD and Experimental Data. DSTO-TR-2159, 2008.

59. Лыков A.B. Теория теплопроводности. M.: Госиздат технико-теоретической литературы, 1952. 392с.

60. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента.- М.: Издательство «Наука», 1971.- 192 с.

61. S. Dhawan. Direct measurements of skin friction. Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy, 1951.

62. S. Dhawan. Direct measurements of skin friction. NACA-TR-1121. 1951.

63. S. Dhawan. Direct measurements of skin friction. NACA-TN-2567. 1952.

64. J.M. Allen. Systematic study of error sources in supersonic skin-friction balance measurements. NASA TND-8291. 1976.

65. D.R. Chapman and R.H. Kester. Turbulent Boundary-Layer and Skin-Friction Measurements in Axial Flow Along Cylinders at Mach Numbers Between 0.5 and 3.6. NAC A-TN-3 097, 1954.

66. F.W. Matting, D.R. Chapman, J.R. Nyholm and A.G. Thomas. Turbulent Skin Friction at High Mach Numbers and Reynolds Numbers in Air and Helium. NASA-TR-R-82. 1961.

67. J.A. Schetz and J. vanOvereem. Skin Friction Reduction In Supersonic Flow By Injection Through Slots, Porous Sections And Combination of the. NASA-CR-2491, 1975.

68. K.R. Czarnecki, J.R. Sevier, M.M. Carmel. Effects of fabrication-Type Roughness on Turbulent Skin Friction At Supersonic speeds. NAC A TN-4299, 1958.

69. M. Eimer. Direct measurement of laminar skin friction at hypersonic speeds. Thesis for the degree of doctor of philosophy in aerospace engineering. 1953.

70. D. Coles. Measurements of turbulent friction on a smooth flat plate in supersonic flow. Journal of the aeronautical science, Vol. 21, №7, 1954.

71. R.J. Hakkinen. Thesis for the degree of doctor of philosophy in aerospace engineering. 1954.

72. R.J. Hakkinen. Measurements of turbulent skin friction on a flat plate at transonic speeds. NACA-TN-3486. 1955.

73. R.H. Korkegi. Transition studies and skin-friction measurement on an insulated flat plate at a Mach number of 5,8. Journal of the aeronautical science, Vol. 23, №2, 1956.

74. M.W. Jackson, K.R. Czarnecki, W.J. Monta. Turbulent skin friction at high Reynolds Numbers and low supersonic velocities. NASA-TN-D-2687. 1965.

75. D.R. Moore, J. Harkness. Experimental investigations of the compressible turbulent boundary layer at very high Reynolds numbers. AIAA Journ. 3, №4. 1965 (Ракетная техника и космонавтика, №4. 1965г.).

76. Direct measurement of compressible turbulent boundary layer skin friction on a porous flat plate with mass injection. H. Dershin, C.A. Leonard, W.H. Gallaher, J.P. Palmer. NASA-CR-79095. 1966.

77. D J. Gurringer, E.J. Sultzman. Flight demonstration of a skin-friction gage to a local Mach number of 4,9. NASA-TN-D-3830, 1967.

78. D.F. Fisher, E.J. Saltzman. Local skin friction coefficients and boundary layer profiles obtained in flight from the XB-70-1 airplane at Mach numbers up to 2.5. NASA-TN-D-7220. 1973.

79. J.W. Moore, E.S. McVey. A force balance system for measurement of skin friction drag force. Final report. NASA EME-4029-112-7IU, 1971

80. Winter, K. G., Gaudet, L. "Turbulent Boundary Layer Studies at High Reynolds Numbers at Mach Numbers Between 0.2 and 2.8." ARC R&M 3712, 1970.

81. E.J. Hopkins, E.R. Keener, P.T. Louie. Direct measurement of turbulent skin friction on a nonadiabatic flat plate at Mach number 6,5 and comparison with eight theories. NASA-TN-D-5675. 1970.

82. R.D. Quinn, L. Gong. In-Flight Boundary-Layer Measurements on a Hollow Cylinder at a Mach Number of 3,0. NASA-TP-1764. 1980.

83. DeTurris, D., Schetz, D., and Hellbaum, R. F. Direct Measurements of Skin Friction in a SCRAMjet Combustor. AIAA Paper 90-2342, July 1990.

84. J.A. Schetz, Т.Е. Diller, A.L. Wicks. Skin friction measurements in high temperature high speed flows. 1992.

85. D.P. Hwang. An Experimental Study of Turbulent Skin Friction Reduction in Supersonic Flow Using a Microblowing Technique. NASA/TM—1999-209632 (AIAA-2000-0545), 1999.

86. Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Тензометры сопротивления. JI.: «Энергия», 1972г.

87. Preston, J.H., "The Determination of Turbulent Skin Friction by means of Pitot Tubes," Journal of Roual Aeronautical Society 58, pp. 109-121, 1954.