Экспериментательное исследование влияния сил плавучести на турбулентный перенос импульса и тепла при течении воздуха в вертикальных трубах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение

Глава I. Современное состояние вопроса и постановка задачи исследования.

Глава 2. Метод исследования. Экспериментальная установка

2.1. Общая характеристика метода исследования

2.2. Экспериментальная установка

1. Опытные участки

2. Конструкция измерительной секции

3. Воздушный контур

2.3. Измерение сопрот]£ш@1Щд.; теплоотдачи f е УШК'Л-}'», ,'

2.4. Методика измерений Ъ' йомощью ЛДА

1. Двухцветная система ЛДА ДИОА с процессорами доп- 40 леровского сигнала

2. Измерение скоростных характеристик потока

3. Влияние случайного выбора данных и кусочной аппроксимации сигнала

2.5. Термоанемометрические измерения

2.6. Методика измерения турбулентного переноса тепла

2.7. Метод анализа структуры турбулентности на основе 60 теории распознавания

2.8. Анализ ошибок измерений. Оценка точности результатов

Глава 3. Структура турбулентности при изотермическом и слабонеизотермическом течении

3.1. Анализ методами распознавания

3.2. Осредненные скорости и температуры, интенсивности пульсаций

3.3. Корреляции гРТ7, //'7"' и

Глава 4. Влияние оил плавучести на структуру потока и турбулентный перенос импульса и тепла

4.1. Программа эксперимента

4.2. Анализ методами распознавания ИЗ

4.3. Теплоотдача и сопротивление трения

4.4. Осрецненные поля скорости и температуры

4.5. Интенсивности пульсаций скорости и температуры

4.6. Турбулентный перенос импульса и тепла

Глава 5. Анализ и обобщение данных по влиянию сип плавучести на гидродинамические и тепловые характеристики

5.1. Уравнения баланса турбулентных характеристик

5.2. Анализ методами теории подобия и обобщение опытных данных

В ы во д ы

- 4 -ОБОЗНАЧЕНИЯ •

X координаты,если не оговорено особо,ы ; диаметр трубы,м ; К - радиус трубы. R = ^2,m ; it — время,с ; р - давление,Н/и2 ; гл компоненты скорости,м/с ; Т - температура,К ; jo - плотность,кг/м^ ;

7 - коэффициент кинематической вязкости,м2/с ;

Л - коэффициент теплопроводности,Вт/м*К ; а. - коэффициент температуропроводности ,мс/о

Р г уЗ - коэффициент объёмного расширения,К"* ; g - ускорение силы тяжести,м/с2 ; X - ускорение массовой силы (в Гл.5.),м/с^; ^ - плотность теплового потока ,Вт/м2 ; касательное напряжение,Н/м2 ; а, = ; ^ = - динамическая скорость,м/с ; у/4 (в Гл.5.) ; JLatfJ- коэффициент перемежаемости ; £ = ^ ;

А' В'

R = ~ коэФФиЦиент корреляции ;

- коэффициент турбулентной вязкости,м2/с ; j^rja^J - коэффициент турбулентной теплопроводности, = <£ - турбулентное число Прандтля ; у1" = у^-; fir*- число Грасгофа ; Be - число Рейнольдса ;

8<г !/>гг\

М/^^г/f Л (Т - ТЕ) - число Нуссельта ; aft^M/jY/«Be - число Стантона ;

Еу -tffijp'ff/Pfiy&pj ~ Динамическое число Ричардсона ; <5\ - скорость диссипации турбулентной энергии ; * (в Гл.5.) ;

Индексы: с- стенка ; а - жидкость ; о - ось,если не оговорено особо ; А - осреднение величины А ; А - пульсация величины А ;

В целом ряде природных объектов и технических устройств стречаются течения Еидкостей вдоль вертикальных поверхностей или в вертикальных каналах), на которые оказывает влияние поле илы тяжести. Интерес к изучению этой проблемы активизируется в ооледнее время в связи с ростом энергонапряЕенности и размеров ппаратов современной техники. Примерами могут служить течения оздуха около склонов горных массивов и около стен зданий, течения азов в дымовых трубах и в вертикальных участках теплотрасс, тече-ия нидкостей в различных элементах технических устройств - в идер-;ых реакторах, теплообменниках, гелиоустановках и т.д. Приведение примеры показывают практическую значимость и актуальность изу-;ения влияния сил плавучести на гидродинамику и теплообмен в верти-;альноориентированных каналах.

Следует отметить, что исследования горизонталыюориентирован-щх течений в поле силы тянести имеют довольно большую историю, пределяемую широким распространением их в природных условиях -■ечения в атмосфере и в океане относятся именно к такому виду дви-:ения жидкости. Температурно-стратиуицировашше горизонтальные те-[ения довольно широко исследуются экспериментально, в основном, на •еофизических объектах, а трудами, в первую очередь, А.С.Пошша и ,.1'.Обухова развита для них теория турбулентности.

Случай вертикальных течений носит специфический характер, свя-1анный с изменением направления вектора ускорения силы тякести от-юсительно направления движения еидкости. В последние годы появи-[ись работы, посвященные исследованиям смешанноконвективного тече-[ия в вертикальных каналах. Однако подавляющее большинство их пос-1ящено исследованию только закономерностей теплоотдачи. Полученные | этих работах неоднозначные результаты подчёркивают слокность за-[ачи и указывают на необходимость систематических исследований груктуры течения в этих условиях. Имеющиеся в экспериментальных аботах измерения отдельных характеристик течения очень ограничены противоречивы.

Целью данной работы является изучение воздействия сил плавучести а турбулентный перенос импульса и тепла при течении воздуха в вер-акалышх каналах.

На защиту выносятся следующие научные результаты: метод измерения корреляций скорость - температура; метод анализа структуры турбулентности на основе теории распознавания образов; опытные данные о распределениях осреднённых скорости и температуры, одноточечных вторых моментов пульсаций скорости и температуры; закономерности изменения турбулентных переносов импульса и тепла и турбулентного числа Прандтля; установленное существование слоя плавучести; полученные зависимости для профилей осреднённых значений скорости и температуры, их .вторых одноточечных моментов в этом слое; рекомендуемые аппроксимации вторых моментов.

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод экспериментального исследования влияния сил лавучести на турбулентные течения в вертикальных обогреваемых аналах; создана экспериментальная установка; оптимизирована конструкция зоцца термоанемометра для измерений вблизи стенки; экспериментально исследованы погрешности ЛДА с процессорами счетного типа,связанные с влиянием ступенчатой аппроксимации истинного непрерывного сигнала скорости; предложен и реализован метод измерения корреляций скорость - температура, основанный на совместном использовании ЛДА и термометра сопротивления,позволяющий минимизировать эффективный измерительный объем (по сравнению с известными методами) и избежать взаимного влияния зондов; - предложен и реализован метод анализа структуры турбулентности, основанный на теории распознования образов.

2.Исследованы характеристики турбулентного слабонеизотермичес-кого течения воздуха в трубах при числах 2500 Ке ^ 40.ТО3.

За основании сравнения результатов измерений с имеющимися в литературе данными продемонстрирована достоверность получаемых результатов. Данные по пульсации нормальной компоненты скорости,корреляциям скорость-скорость,скорость-температура при малых Re являются новыми и представляют самостоятельный интерес.

3. Впервые получены экспериментальные данные о влиянии сил плавучести в вертикальных каналах на пульсации скорости и температуры , корреляции й7^ , ^гг7Г' и У'Г' .коэффициенты турбулентного переноса <£ , <f и Рг .

- JL'O

Установлено,что:

- анизотропия турбулентного переноса тепла в радиальном и осевом направлениях увеличивается под влиянием сил плавучести в режимах с М-образными профилями скорости меняет знак в ядре течения; это опровергает применяемые в расчетных моделях аппроксимации;

- турбулентное число Правдтля вблизи стенки растет и достигает 10-12;

- характер воздействия архимедовых сил на турбулентность по сечению потока различен - вблизи т стенки происходит подавление,а в ядре течения - дополнительная генерация турбулентности.

4. Методом,основанном на теории распознования,выполнена расшифровка осциллограмм пульсаций температуры при ламинаризации течения. Показано,что течение в этом случае становится перемежающимся.

5. С помощью теории подобия и размерностей проведен анализ влияния сил плавучести на турбулентное течение около обогреваемых охлаждаемых) вертикальных поверхностей. Предложены обобщающие зависимости для профилей скорости, температуры и одноточечных моментов.Установлено, что в случае подъемного течения жидкости около вертикальной обогреваемой поверхности наблюдаются законы "1/3" для профилей'осредненной скорости,интенсивности продольной скорости и напряжений Рейнольдса; в то время,как законы "-I/3" - профиле! осредненной температуры,интенсивности пульсаций температуры и турбулентного переноса тепла. Полученные экспериментальным путем данные подтверждают найденные закономерности.

6. На основе полученных опытных данных предложены аппроксимации отдельных членов балансных уравнений для одноточечных вторых моментов пульсаций скорости и температуры при вертикально-ориентированном пристенном турбулентном течении в поле силы тяжести и с их использованием выведены приближенные соотношения для замыкания уравнений движения и энергии.

1. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика.-М.:Наука, 1966.-639 с.

2. Петухов Б.С.,Поляков А.Ф.,Шехтер Ю.Л. Турбулентное течение и теплообмен в поле силы тяжести.-Обзор. ТВТ, 1978, т.16, №3, с. 624 - 639.

3. Петухов Б.С.,Поляков А.Ф.,Цыпулев Ю.В.,Шехтер Ю.Л. Турбулентное течение и теплообмен в горизонтальных каналах в поле силы тяжести. Препринт ИВТАН, №2-083, 1982, - 88 с.

4. Поляков А.Ф. Развитие вторичных свободноконвективных токов при вынужденном турбулентном течении в горизонтальных трубах. -ПМТФ, 1974, №5, 60-66.zZ^L1. J,

5. Бэр Л.Э. 0 турбулентной конвекции в вертикальной трубе. ПМТФ, 1967, N«4, с. 74-85.

6. Бэр Л.Э. О комбинированной (вынужденной и свободной) турбулентной конвекции в канале между вертикальными параллельными плоскостями.-МЖГ, 1974, №3, с. 126-133.

7. Поляков А.Ф. Границы и характер начала влияния термогравитационных сил на турбулентное течение и теплообмен в вертикальных трубах. ТВТ, 1973, т.П, №1, с. I06-II6.

8. Повх И.Л.Аэродинамический эксперимент в машиностроении.- М.: Машгиз, 1959, с.395.

9. Кляйн. Развитие турбулентного течения в трубе (обзор). Теоретические основы инженерных расчетов,, 1981, т. 103, №2, с.ISO1.?.

10. Трубаков Ю.П. Экспериментальное исследование турбулентного потока на входных участках круглых труб. Дис. на соиск. уч. степ.к.т.н.,-Обнинск, ФЭИ, 1978, 126 с.

11. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.- М.: Энергия, 1978, с.705.

12. Троицкий В.В. Пленочный термоанемометр. Авторское'свидетельство

13. СССР № 770349 от 3.05.79 г.29. 7у/°<? 00 Д/Г Jbrsts*.

14. Ринкявичюс B.C. Лазерная анемометрия.-hi.: Энергия, 1978, с.

15. Л1//. of<2s<?/> gr<*tfs*^ ^zsrtst'c/orrab/z.'а??У-J27yo.

16. Щербина Ю.А. Локальные оптические методы измерений турбулентных пульсаций скорости. Одночастичный режим. -М.: МФТИ, 1977,с.

17. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя.-М.: Ин. лит-ра, 1956, с. 5 28.

18. Поляков А.Ф., Шиндин С.А. Особенности измерения термоанемометром осредненной скорости в непосредственной близости от стенки.- ИФЖ, 1979,т.36, йб, с. 986-990.7fa/i /г ^bzg? Jb^T^^^z

19. Демин B.C., Кураев А.А. Об измерениях термоанемометром в потоке воздуха вблизи поверхности Известия СО АН СССР, серия техн. наук, 1969, вып.З, 1 13.39. af^yj^/L г/^aS/^^-yf. y^zf- s^oc, SOJTzS*^?- /^p^z 2

20. Рошко ki Структура турбулентных сдвиговых течений: новая точка зрения. РТК, 1976, т.14, 110, с. 1349-1357..ггз-/43. /^ллг/ 2е- •s-Z^s***?-г '/? <t*r/2tf<f г^ eft*/??44. У44. ^a? X y ^

21. Патрик Э. Основы теории распознавания образов. М.: Сов. радио, 1980, с.408.

22. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. Тоерия распознавания образов.-М.: Наука, 1974, с.305.