Гидродинамика одно- и двухфазных потоков в коротком канале с непрерывной закруткой потока тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

, ц 0

На правах рукописи УДК 532+533

АНТИПИН МИХАИЛ КОНСТАНТИНОВИЧ

ГИДРОДИНАМИКА ОДНО- И ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В КОРОТКОМ КАНАЛЕ С НЕПРЕРЫВНОЙ ЗАКРУТКОЙ ПОТОКА

Специалыюсть:01.02.05 - механика жидкостей, газа и плазмы

Авгорефера! диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Качаш. 1998

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева (КАИ).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Гортышов Ю.Ф. Научный консультант

доктор технических наук, доцент Тарасевнч С.Э. Официальные оппоненты:

доктор технических'наук Болтенко Э.А.

кандидат технических наук Абдрахманов А.Р.

Ведущая организация: НПО ЦКТИ им. Ползунова, г. С.-Петербург

Защита состоится 1998г. в 10 часов на заседанот

диссертационного совета Д063.43.01 при Казанском государственном технической, университете по адресу: 420111, г. Казань, ул. Карла Маркса, д.Ю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 24» иМИл 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук г^З^Сея-^ А.Г.Каримова

-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В различных устройствах современной техники, таких :ак камеры сгорания двигателей, ядерные энергетические установки, парогенераторы, [спользуются трубы, каналы и другие поверхности различной геометрии, в которых 1меет место двухфазное течение теплоносителя. Назначением устройств и степенью к ответственности определяются предъявляемые к ним требования: длительная гадежная работа; заданная энергонапряженность при фиксированных геометрических (азмерах установки; фиксированные температурные напоры или температуры •еплоотдающих поверхностей при заданных плотностях теплового потока.

Реализовать на практике эти требования можно лишь при условии применения ех или иных методов интенсификации теплообмена. Поскольку интенсификация ■еплообмена дает возможность испарить теплоноситель на длине, значительно геньшей, чем длина канала без интенсификатора, возникает необходимость юследования гидродинамики течений в коротких каналах, имеющих свои юобенности (профили скоростей не установились, пограничный слой не формировался). Изучение данной проблемы также играет большую роль с точки рения выбора интенсивности закрутки потока, оптимальной по гидравлическому ;опротивлению и интенсивности теплообмена.

Имеющаяся информация по данному вопросу получена в основном кспериментальным путем. Трудности, связанные, с одной стороны, сложностью >бъекта исследования, а с другой - небольшим выбором средств, имеющихся в >аспоряжении экспериментатора, снижают достоверность получаемой информации. Тодходы к обобщению экспериментальных данных разноречивы и также нуждаются 1 дополнительном анализе. В связи с этим, задача экспериментального исследования идравлических характеристик таких каналов, структуры двухфазного потока, а также 'совершенствования методов диагностики двухфазных потоков является актуальной и гредставляет практический интерес.

Цель работы. Проведение экспериментальных исследований гидравлических арактеристик' и режимов течения закрученных одно- и двухфазных потоков в :оротком канале. Уточнение (на основе полученных экспериментальных данных) «тематической модели кипения закрученного потока при закризисных режимах гипения с учетом особенностей начального участка.

В связи с этим ставятся следующие задачи исследования:

1. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивлеш закрученных воздушного и воздушно-водяного потоков в коротком канале с скрученной лентой, установленной на всю длину, и обобщение результате .экспериментального исследования с учетом имеющихся в литературе опытны данных.

2. На основе визуального наблюдения с использованием новейших среди фотосъемки (цифровой фотокамеры «Olympus») установление режимов течещ воздушно-водяного потока и границ перехода между ними.

3. Проведение модельных экспериментов со вдувом воздуха в канал воздушно-водяным потоком (моделирующих испарение с поверхности жидке пленки) с целью получения данных о гидравлическом сопротивлении, а такм информации об устойчивости вращающейся пленки жидкости в условш двустороннего динамического воздействия, и, в целом, о практической возможное) существования расслоенного режима течения с эффектом Лейденфроста. Обобщеш экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению и получеш расчетных зависимостей.

4. На основе полученных опытных данных уточнение математической моде; кипения закрученного потока жидкости при расслоенном режиме течения с эффекте Лейденфроста.

Научная новизна. По исследованной проблеме в качестве новых научнь результатов получены:

- экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению одно-двухфазного потоков в коротком канале со вставкой в виде скрученной ленты;

- экспериментальные данные по структуре и режимам течения двухфазно потока в коротком канале со вставкой в виде скрученной ленггы;

- экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению двухфазно потока в коротком канале со вставкой в виде скрученной ленты в условиях вдува газ

- закономерности устойчивого течения вращающейся пленки жидкости условиях двустороннего динамического воздействия, границы этого течет

кспериментально смоделирован расслое!Шый режим течения с эффектом 1ейденфроста при течении двухфазного потока без обогрева;

- с учетом полученных экспериментальных данных по гидравлическому опротивлению уточнена математическая модель кипения закрученного потока при акризисных режимах кипения.

Практическая ценность. Решаемые в диссертации научные задачи и рактическое использование результатов работы позволяют:

- проводить расчет гидродинамического состояния испарительной магистрали;

- осуществлять сравнительный анализ эффективности применения нтенсификатора в виде скрученной ленты;

- заменить сложный и дорогостоящий тепловой эксперимент моделированием гпарения жидкости с помощью вдува газа.

Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской юотой по теме «Исследование теплообмена и гидродинамики при взаимодействии фбулентных двухфазных криогенных потоков с поверхностью в условиях действия герционных массовых сил» и в соответствии с Федеральной целевой программой Интеграция» по проекту №244 «Создание учебно-научного центра ¡гергомашиностроение -эффективной системы развития фундаментальных наук и .юшего образования в области энергетики и механики.»

Апробация работы. Полученные основные результаты диссертации жладывались и получили одобрение на Ш Минском международном форуме Тепломассообмен - ММФ-96», на Всероссийском научно-техническом семинаре !иутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, [агностика» (Казань, Высшее артиллерийское командно-инженерное училище 1. М.Н.Чистякова, 1996, 1998г.г.), на Ш Республиканской научно-технической 1нференции молодых ученых и специалистов (Казань, 1997г.), на 14 Национальной нференции «Тепломассообмен - 97» (Канпур, Индия, 1997г.), на-У Международном минаре «Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидхосгей - V» овосибирск, 1998г.), на Международной научной конференции студентов и пирантов «Современные аспекты гидроаэродинамики - 98» (С.-Петербург, 1998г.), II Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998г.), на

- и -

научно-техническом семинаре лаборатории промышленных испытаний атомног! энергетического оборудования (С.-Петербург, ЦКТИ, 1997г.), на научно-технически! семинарах кафедры ТОТ КГТУ им. А.Н.Туполева.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введенго четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работ содержит 146 стр., из них 89 стр. машинописного текста, 52 рисунка и списо литературы из 96 источников отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, формулируются задач исследования, основные защищаемые положения и научная новизна результатов.

Первая глава содержит обзор опубликованных работ по гидродинамике потоке в прямых трубах и каналах, а также в полях массовых сил, по режимам течени двухфазных потоков в каналах, по математическому моделированию двухфазны течений. Проведен анализ экспериментальных и расчетных исследований по данны вопросам Сукомела A.C., Калинина Э.К., Дрейцера Г.А., Болтенко Э.А Федоровича Е.Д., Щукина В.К. и др. В главе рассмотрены возможные способ закрутки потока: придание вращательного движения каналу, придание поверхност канала криволинейной формы, установка в канал закручивающих устройст Подчеркивается, что имеющаяся информация по вопросам исследования получена основном экспериментальным путем. Подходы к обобщению опытных даннь разноречивы и также нуждаются в дополнительном анализе. По итогам выполненно] обзора сделаны выводы о недостаточности и противоречивости содержащейся научных публикациях информации о результатах исследований гидравлическо сопротивления одно- и двухфазных потоков в каналах со скрученной лентой, а таю надежной информации по структуре и границам режимов течения. В связи с эти задача экспериментального исследования гидравлических характеристик так: каналов, структуры двухфазного потока, а также усовершенствования метод диагностики двухфазных потоков является актуальной и представляет пракгическ интерес. В связи со сложностью получения информации экспериментальным путе

- г-

важную роль играет также математическое моделирование процессов кипения. Все это позволило сформулировать цель и задачи исследования.

Во второй главе изложено описание экспериментальной установки, конструкции рабочих участков, приводятся методики проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных, произведена оценка погрешности экспериментальных исследований. Экспериментальная установка состоит из систем подачи воды и воздуха к рабочему участку, системы сбора водовоздушной смеси, рабочего участка и измерительной системы. Для проведения экспериментальных исследований гидравлического сопротивления закрученных однофазного и двухфазного потоков в стенд устанавливался рабочий участок №1, основными элементами которого являются канал диаметром <#=12мм и длиной 1=20с/ с установленной на всю длину скрученной лентой и камера смешения для подготовки водо-воздухпной смеси. Отбор давления осуществлялся в восьми сечениях по длине рабочего участка: х^=3.63; 7.27; 11.63; 14.53; 18.17; 21.8; 25.44; 29.07. Чтобы исключить влияние выхода, последнее сечение отбора давления располагалось на расстоянии б<1, от него. Канал выполнен из полированного органического стекла для проведения визуализации течения. Для проведения экспериментальных исследований движения пленки жидкости в условиях двустороннего динамического воздействия в стенд устанавливался рабочий участок №2, основными элементами которого являются канал диаметром 12мм и Ь=2Ы с установленной на всю длину скрученной лентой и камера смешения. Канал рабочего участка №2 состоит из трех последовательно и соосно расположенных элементов. Первый и последний изготовлены из органического стекла для контроля режима течения на входе и на выходе. Средний элемент представляет собой пористую трубку, в которой выполнено осевое сквозное отверстие диаметром 12мм. Средний участок заключен в кожух, под который подается вдуваемый воздух. Отбор давления осуществлялся в шести сечениях по длине рабочего участка: х/У3=7.27; 14.53; 21.8; 29.07; 36.34; 43.61. Также здесь представлены результаты тестовых опытов по исследованию гидравлического сопротивления прямой гладкой трубы. В результате обобщения экспериментальных данных была получена расчетная формула для вычисления коэффициента гидравлического сопротивления

£ --^ (1 ReГ (

которая с точностью ±12% аппроксимирует опытные точки и хорошо согласуется

данными Сукомела A.C., Мучника Г.Ф. и Бугенко А.И. По результатам тестировани

сделан вывод, что экспериментальная установка и система измерений даю

удовлетворительные результаты.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследовани гидравлического сопротивления закрученных одно- и двухфазного потоков обобщение опытных данных. Эксперименты проводились при подъемном течении. ! сериях опытов применялись скрученные ленты с различным отношением шах полувитка ленты к диаметру канала: s/d=23; 2.5; 3; 3.2; 3.5; 4; 5; 6. При исследовани течения однофазного (воздушного) потока опыты проводились в следующе диапазоне режимных параметров: Ле*=(5+50)х103 {Re'=pwd.J\i, w - среднерасходнг скорость), плотность потока массы воздуха ¿=28.9-^231.9кг/(м2с), давление на входе канал />„=( 1 н-2)х 105Г1а. Автором получено экспериментальное подтвержден! существования критического значения числа Рейнольдса Re'K[n описанно: Щукиным В.К. (рис.1). Получено, что при ламинарном режиме течения макровихрями влияние числа Рейнольдса на коэффициент гидравлическо сопротивления выражено сильнее (£~Аг*"0'42), чем при турбулентном режиме макровихрями (£~.Re*<u). На рис.2 проиллюстрировано влияние интенсивное закрутки потока на коэффициент гидравлического сопротивления: в диапазо значений параметра s/d>4 закрутка оказывает слабое влияние на £,: лит описывающие экспериментальные точки в указанном диапазоне, мало зависят параметра s/d и имеют почти горизонтальный характер (£,~(s/dj'üm). Подобн! результат был получен М.Х.Ибрагимовым, А.В.Шушляковым, но не подтверди: другими исследователями. При увеличении интенсивности закрутки потока (в облас значений параметра s/d<4) наблюдается резкое увеличение коэффицие! гидравлического сопротивления По мнению автора, это связано с т

что при высокой интенсивности закрутки возрастает роль вторичных течений, и с начинают оказывать существенное влияние на гидравлическое сопротивлен Закрутка потока способствует стабилизации течения. Как показали экспериме!

втора, стабилизация наступает уже при значениях 18+22 (для рассмотренного (иапазона я/У). На рис.3 приведены графические зависимости, из которых следует, что 7ри х/У,>22 коэффициент гидравлического сопротивления не зависит от данного шраметра. Далее в главе приводятся полученные в результате обобщения ¡ксперименталъных данных расчетные зависимости для вычисления коэффициента идравлического сопротивления при течении в канале со скрученной лентой однофазного потока:

1). Ламинарный режим течения с макровихрями (Яе'<Ке\р): при лгЛ/,<22 (при д/У<4 и соответственно)

г, = 20 Ке'-,ш (х / а, Г"3 (я / 83; (2)

^ = 7.65 Ке'~ом (х / ¿э)'оъ / ; (3)

при х/У3>22 (при а/с1«\ и я/с!>4 соответственно)

£ = 8.88 Не-042 (5/(1 ; (4)

^З^АТ0 42^/^-0'08. (5)

2). Турбулентный режим течения с макровихрями (Ке'>Ке'кр): при хМу<22 (при 5/с/<4 и ¿/с{>4 соответственно)

1 + 6.42 ($/с1)-221; (6)

£/^0 = 1 + 0ЛЪ(*/аГмг; (7)

при х/аэ>22 (при М<А и х/с1>4 соответственно)

5 = ШДе^2^/^83/ (8)

^ = 0.34 Де*-0'2 (з / (I (9)

Данными зависимостями аппроксимируются 95% экспериментальных точек, максимальное отклонение не превышает 17%.

Цалее в главе приводятся результаты исследования гидравлического сопротивления ¡акрученного двухфазного (воздушно-водяного) потока. Режимные параметры «менялись в следующих диапазонах: Де*си=(5+50)х 103, ^воа=5.8+173.9кг/(мгс), ^„=28.9^231,9кг/(м2с), давление на входе в канал Р„=(1-ь2)х105 Па. Обработка жсперименталышх данных проводилась по параметрам гомогенной смеси. Б ходе троведения обзора литературных источников установлено, что многие авторы

-г-

(Нигматулин Р.И., Смитберг, Лэндис и др.) получали одинаковые зависимости (¡-/(Яе) для жидкостных и газообразных сред. Кроме того, в работах Венгерского Э.В. приводятся данные о том, что в случае течения двухфазного потока в канале, не имеющем поворотов, коэффициент гидравлического сопротивления будет таким же, как и в случае движения однофазного потока. Поскольку экспериментальный участок автора представлял собой прямую трубу, содержащую вставку, но не имеющую поворотов, экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению двухфазного потока, полученные автором, были нанесены на график, содержащий зависимость, аппроксимирующую опытные данные по гидравлическому сопротивлению воздушного потока (рис:4). Как следует из графика, максимальное отклонение значений Е, двухфазного потока от значений % однофазного составляет 18.6%. Таким образом, формулы (2}-(9) можно использовать также и для расчета гидравлического сопротивления двухфазного потока по параметрам гомогенной смеси.

Далее в главе приведены результаты исследования структуры течения закрученного воздушно-водяного потока, Визуальные исследования режимов течения дали следующие результаты. При массовом расходном паросодержании Х<0.15 наблюдается неустойчивое течение, которое обусловлено конструктивным! особенностями экспериментального участка. В этих условиях энергии несущеп потока воздуха недостаточно, чтобы протолкнуть жидкость. С увеличением расход; воздуха (при^0.15) течение стабилизируется: под действием сил инерции жидкост) отбрасывается к стенке канала, а под влиянием макровихрей смачивает поверхносп ленты. Картина течения в поперечном сечении канала, представленная на рис.5 имеет форму неправильного кольца. Таким образом, значение Х=0Л 5 можно считат границей начала данного режима течения -Х'гр. При дальнейшем увеличени: паросодержания количество жидкости уменьшается, соответственно уменьшается толщина пленки, находящейся на стенке и ленте. Следует отметить, что ело жидкости, который движется по поверхности скрученной ленты, в этом случае имее неодинаковую толщину (рис.6). В середине ленты движется «шнур» жидкоси который подпитываегся от пленки на стенке канала за счет воздействия вторичны течений. На поверхности слоя жидкости существуют волны с малой амплитудо причем с ростом интенсивности закрутки поверхность пленки становится бол<

гладкой. Начиная с некоторого граничного значения X, которое можно характеризовать как Х"ф, пленка жидкости, находящаяся на стенке канала, разрушается. По поверхности стенки начинают двигаться отдельные «жгуты» и капли. При дальнейшем уменьшении количества жидкости «жгуты» распадаются на отдельные капли (рис.7). Во всех случаях по поверхности ленты движется водяной «шнур». Как показали эксперименты, даже в условиях, когда отсутствует дисперсный поток (Л>0.92), на ленте сохраняется устойчивое течение «шнура» (рис.8). Таким образом, по результатам визуального наблюдения воздушно-водяного потока в канале со скрученной лентой автором были выделены следующие режимы течения: 1). Кольцевой режим; жидкость в виде кольца движется по поверхностям канала и скрученной ленты, центральная часть занята воздухом. 2). Дисперсно-кольцевой режим; по поверхности скрученной ленты движется пленка жидкости; на стенке канала отдельные жгуты и капли. 3). Дисперсный режим; в центральном потоке и на стенке канала движутся капли жидкости; по поверхности ленты движется водяной «шнур». 4). Течете в форме «шнура»; вся жидкость движется в виде отдельного «шнура» по поверхности ленты вдоль ее оси.

Поскольку реальное течение двухфазного теплоносителя происходит в обогреваемом канале, картина течения может отличаться от той, что была получена автором на «холодных» режимах. В связи с этим дополнительно была проведена серия экспериментов по визуализации двухфазного потока в канале со вставкой в виде скрученной ленты, имеющей несмачиваемую поверхность. Несмачиваемость достигалась нанесением на поверхность ленты тонкого слоя парафина толщиной 0.2^0.3 мм и имитировала наличие пленочного кипения на поверхности вставки. Такой режим течения возможен в канале со скрученной лентой при закризисном кипении. По результатам анализа полученных экспериментальных данных были сделаны следующие выводы: 1). После разрушения пленки на стенке канала нарушается постоянная подпитка «шнура» на ленте: вместо сплошной тонкой пленки наблюдается движение отдельных струек жидкости в направлении от углов сечения канала к «шнуру». Это отрицательно сказывается на устойчивости последнего. Он движется прерывисто, периодически распадаясь на короткие (длиной 50+70 мм ) «шнуры», следующие друг за другом, которые могут сливаться. 2). На величину Хгр несмачиваемость ленты не влияет. Проведенный анализ результатов визуального

исследования режимов течения позволил установить границы устойчивого пленочного течения. Так, устойчивое течение в кольцевом режиме будет определяться граничной величиной массового расходного паросодержания, которая, в свою очередь, неодинакова при различных режимных параметрах. В результате обработки экспериментальных данных автор пришел к рыводу, что величина Хгр (здесь и далее под величиной Хгр будем понимать величину Х"гр, характеризующую переход от кольцевого режима течения к дисперсному, т.к. именно она представляет наибольший интерес для практики) является функцией числа Рейнольдса, рассчитанного по параметрам гомогенной: смеси: Хг,.~/(Яе'см). Влияние Ке'см неодинаково во всем диапазоне изменения параметра $/с1. По мнению автора, это объясняется тем, что при высокой интенсивности закрутки доминирующее влияние на устойчивость пленки оказывают вторичные течения (макровихри). При значениях 5/У>4 это влияние ослабевает, и значение Хгр в большей степени определяется числом Яе ы. Обобщение опытных данных дало следующие результаты: (для $/¿/<4 и я/<1>4 соответственно)

^=0.055«^'°25 (10)

^=0.0038 Лес«'а51 (П)

Максимальное отклонение расчетных значений Хгр от экспериментальных не превышает 11%.

Далее в главе приведены результаты исследования гидравлического сопротивления закрученного воздушно-водяного потока в условиях интенсивного вдува, моделирующего испарение с поверхности пленки жидкости. Вдув осуществлялся через пористую стенку канала. Опыты проводились на вертикально расположенном экспериментальном участке при подъемном течении. В сериях экспериментов применялись скрученные ленты с $/¿¿=2.5; 3.2; 4; 6. Основные режимные параметры изменялись в следующих диапазонах: Ле*см=(1н-3.5)х104, Я^З+вбАсг/^с), я.„=14.4+1 15.9кг/(м2с), ёвдуг=\1.2ч-38.7кг/(м2с), Ри=(1+2)х105Па. Эксперименты проводились при закритических вдувах воздуха: рабочий диапазон параметра 6=рыс/рю«, составлял 0.25-И (ри-о - плотность потока массы вдуваемого воздуха, ри>ю - плотность потока массы центрального потока). В ходе проведения опытов автором была экспериментально подтверждена возможность устойчивого

-

течения пленки жидкости в условиях двустороннего динамического воздействия (расслоенный режим течения с эффектом Лейденфроста, рассмотренный в работе С.Э.Тарасевича) при широком диапазоне изменения Ъ. О том, что при наличии вдува, в том числе и интенсивного, не происходит разрушения пленки жидкости свидетельствует ее наличие на выходе из рабочего участка, которое контролировалось визуально и фиксировалось с помощью цифровой фотокамеры «Olympus». В отличие от представленных выше экспериментальных исследований, где было выявлено влияние на гидравлическое сопротивление Re', s/d, x/d„ в данном исследовании, помимо перечисленных параметров, оценивалось воздействие интенсивности вдува на коэффициент т.е. рассматривался параметр Ь. Проанализировав опытные данные, автор пришел к выводу, что параметры Re* и b влияют на коэффициент гидравлического сопротивления в одинаковой степени, но с противоположным знаком, что подтверждается зависимостью вида %=f(Re'h), приведенной на рис.9. Как видно из графика, коэффициент гидравлического сопротивления не зависит от комплекса Re'b. Поэтому при обобщении экспериментальных данных был

использован параметр (для удобства сравнения экспериментов со

V-cm

вдувом и без вдува), учитывающий массу вдуваемого воздуха: в сечении i (pw)CM ,=(G„+G0 ¡)!F, в сечении :+1 (pw)CJ< MHG*,+G0 m)/F. Из графика, представленного на рис.10, видно, что зависимость \~(x/dj для экспериментов со вдувом отличается от такой же зависимости для экспериментов без вдува тем, что при значениях x/dr'll данный параметр влияет на ^ в той же степени, т.е. во всем исследованном диапазоне x/d, его воздействие на гидравлическое сопротивление одинаково. По мнению автора, это различие объясняется тем, что в эксперименте со вдувом имело место довольно существенное загромождение проходного сечения вдуваемым воздухом (в связи с большими значениями Ъ), и истинное значение x/d, „с„ отличается от геометрического значения x/d,: x/d, ист< x/d,. Более того, по всей длине канала идет приток большой дополнительной массы газа, что оказывает существенное влияние на формирование течения в пристенной области. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от параметра s/d в условиях двустороннего динамического воздействия на пленку жидкости также имеет одинаковый характер во

всем исследованном диапазоне изменения интенсивности, закрутки (рис.11). Очевидно, это объясняется вдувом, воздействующим на макровихри и ослабляющим их влияние на По результатам анализа экспериментальных данных было выполнено обобщение и предложены расчетные формулы для среднего и местного коэффициента -гидравлического сопротивления:

4=1.75x108Де"2(х/<*>)"°''(12) . (13)

Данными зависимостями аппроксимируются 95% экспериментальных точек со средним квадратическим отклонением ±16%.

В заключение главы приводятся выводы, вытекающие из полученных экспериментальных результатов.

В четвертой главе представлено уточнение математической модели кипения закрученного потока жидкости при расслоенном режиме течения с эффектом Лейденфроста *) на основе полученных экспериментальных данных по особенностям течения потоков на начальном участке канала. Уточнение математической модели с учетом особенностей течения на начальном участке заключается в том, что при условии х/Уэ<22 для расчета коэффициента гидравлического сопротивления было предложено использовать полученные автором формулы (2), (3), (6) и (7) соответственно режиму течения. Результаты уточнения проиллюстрированы в виде графических зависимостей на рис.12. Как видно из графиков, математическая модель, предложенная С.Э.Тарасевичем, дает несколько завышенные (на 10+25% по сравнению с экспериментальными данными) значения давления. Из рисунка видно, что учет в модели особенностей течения на начальном участке приближает расчетнь1е значения давления к экспериментальным, и указанное отклонение в 10+25% сокращается в среднем на 17%.

Далее в главе изложена апробация результатов исследования гидравлического сопротивления закрученного воздушно-водяного потока в условиях интенсивного вдува на уточненной математической модели. Результаты исследования гидравлического сопротивления закрученного воздушно-водяного потока в условиях интенсивного вдува представлены расчетными зависимостями (12) и (13). Перепады давления, *) - модель разработана С.Э.Тарасевичем.

-1'3-

рассчитанные по уточненной математической модели и с использованием зависимости (13) представлены на рис.13. Как следует из графиков, хорошее совпадение расчетных данных наблюдается при значениях числа Рейнольдса /?е*<40000. В диапазоне Ке">40000 имеет место существенное расхождение расчетов по математической модели и по зависимости (13). Это связано с тем, что экспериментальные исследования проводились автором при значениях числа Рейнольдса Ле*=(1-н3.5)х104, и, следовательно, в диапазоне Не >40000 требуется уточнение расчетной формулы (13). Уточнение было произведено по данным, рассчитанным по уточненной математической модели, и в диапазоне Яе*={4-К20)х Ю4 (верхняя граница диапазона определена расчетным путем по экспериментальным данным С.Э.Тарасевича, А.П.Кузьмина, Берглеса) дало следующий результат: при Яе'>40000 коэффициент гидравлического сопротивления не зависит от числа Рейнольдса (рис.14), что согласуется с данными, приводимыми в работах Э.А.Болтенко, а расчетная зависимость принимает вид

С=0.08(х/4)-°-6(^"°5- (14)

Как видно из графика на рис.15, иллюстрирующего сравнение результатов расчета по • уточненной формуле (14) и по математической модели, имеет место хорошее (в пределах ±14%) совпадение расчетных данных. Однако, разброс расчетных точек начинает увеличиваться при значениях £¿>0.3. Очевидно, это связано с тем, что формула (14) обобщает экспериментальный материал, полученный при Ь2<0.3. При значениях, превышающих указанные, степень влияния Ьх на С, будет отличаться от найденной ранее, и для ее определения необходимы дополнительные исследования.

В заключение главы приводятся выводы, вытекающие из полученных результатов. Подчеркивается корректность экспериментального моделирования кипения закрученного потока жидкости при расслоенном режиме течения с эффектом Лейденфроста на воздушно-водяном потоке со вдувом.

- 44-

Основныс результаты и выводы

1. Проведенные экспериментальные исследования позволили получить новую количественную и качественную информацию по течению одпо- и двухфазных потоков в коротком канале со вставкой в виде скрученной ленты:

а) Для рассмотренного диапазона изменения интенсивности закрутки установлено, что при $/с£>\ влияние данного параметра на коэффициент гидравлического сопротивления незначительно; при $/У<4 влияние закрутки резко увеличивается.

б) В канале со скрученной лентой стабилизация течения наступает при удалении от входа на величину х/с13>22, т.е. значительно раньше, чем в прямой трубе.

в) Предложены расчетные зависимости для вычисления коэффициента гидравлического сопротивления при течении одно- и двухфазного потоков.

2. Визуальное исследование воздушно-водяного потока в канале со скрученной лентой дало следующие результаты:

а) Выявлены режимы течения: кольцевой, дисперсно-кольцевой, дисперсный режимы; режим течения в форме «шнура».

б) Установлены границы устойчивого пленочного течения, предложены зависимости для их расчета.

3. Экспериментально смоделировано кипение закрученного потока жидкости при расслоенном режиме течения с эффектом Лейденфроста на воздушно-водяном потоке со вдувом.

а) Подтверждена возможность устойчивого -течения пленки жидкости в условиях двустороннеого динамического воздействия (расслоенный режим течения с эффектом Лейденфроста) при широком диапазоне изменения параметра Ь.

б) Исследовано гидравлическое сопротивление канала с закруткой воздушно-водяному потоку в условиях интенсивного вдува воздуха на всей длине канала, предложены зависимости для расчета местного и среднего коэффициентот гидравлического сопротивления.

4. На основе полученных экспериментальных данных по особенностям течекш потоков на начальном участке канала со вставкой в виде скрученной ленты проведенс уточнение математической модели кипения закрученного потока жидкости пр1 расслоенном режиме течения с эффектом ЛейденсЬростг..

- /s—

Основные результаты диссертационной

работы изложены в следующих публикациях:

1. Тарасевич С.Э., Карпова О.Б., Антипин М.К., Шулаев С.Н. Скорость истечения пара из-под вращающейся пленки жидкости // Труды III Минского международного форума Тепломассообмен-ММФ-96. Минск. ИТМО. 1996. Т.4. ч.2. с. 147-150.

2. Антипин М.К., Тарасевич С.Э. Установка для исследования гидродинамики закрученного двухфазного потока // Тезисы докладов и сообщений 8-го научно-технического семинара «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная аккустика, диагностика.» Казань. КВАКНУ. 1996. с.22-23.

3. Antipin М.К., Karpova О.В., Tarasevich S.E., Yakovlev A.B. Experimental research of single-phase flow and mathematical model of boiling of cryogenic liquid in a channel with twisted-tape insert. Proceedings of the Third ISHMT-ASME heat and Mass Transfer Conference, and Fourteenth national heat and mass transfer conference. Indian institute of technology. Kanpur. 1997. p.591-595.

4. Антипин M.K., TapaceBira С.Э. Режимы течения и гидравлическое сопротивление в коротком канале с непрерывной закруткой потока // Тезисы докладов и сообщений 10-го научно-технического семинара «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная аккустика, диагностика.» Казань. КВАКНУ. 1998. с.34-35.

5. Антипин М.К., Тарасевич С.Э., Яковлев А.Б. Режимы течения и гидравлическое сопротивление закрученного воздушно-водяного потока в коротком канале // В сб.: Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей-V. Труды V Международного семинара. Новосибирск. Институт теоретической и прикладной механики СО РАН. 1998. с. 168-172.

6. Антипин М.К., Тарасевич С.Э., Филин В.А., Щукин В.К. Гидравлическое сопротивление коротких каналов с непрерывной закруткой потока // Труды Второй Российской национальной конференции по теплообмену. Москва. Издательство МЭИ. 1998. Т.6. с.47-50.

-

0,10,09--

■ х/(1э=3.б3 «• хЛ1э=18.17

• х/Уэ=7.27 + хЛ1э=21.8

* хЛЬ=11.63 хЛЬ=25.44 ▼ хЛ1э=14.53 * хЛ1э=29.07

0,08- ■

■ ■■

0,07"

0,06-

0,054

"Г

, А

* л

**

■^ТГ V V

6000 8000 10000

Не% 20000 Яе*

40000

• Рис. 1. Влияние числа Рейнольдса на гидравлическое сопротивление: ¡/¿=2.5, ке гр-15700.

■

»

ж

0,10,090,080,07-

(Че=5500 Не=11500 4 Яе=23000 ▼ Иё=34500 о !Че=46000

0,06-

0,05-

0,04-

А

0,03+

А

в/й

Рис.2. Влияние интенсивности закрутки потока на гидравлическое сопротивление.

■

■

0,10,0» 0,080,070,06-

0,05

0,090,08 0,07

0,060,05-

0,04

А Т

■ Р!е=5300 Яе=24900

• Яе=6700 Ж Яе=33300

А Я¿=9200 - Иё=35700

▼ Ре=115001 Не=40100

О иё=15400п Ке=42700

+ Г?е=18500О Ке=45500

А Т

б

.«. . В 0

в. . •

.А. . А. .

▼ ▼

в %

4 5 6 7 8 9 10 20 30

х/д3

Рис.3. Влияние параметра х/с1, на гидравлическое сопротивление: ь/с1=2.5.

-однофазный поток ■ двухфазный поток

\ ■

\

• \

■ ■ - 1

■ ^ ■ ■

4000

6000 8000 10000

20000 30000 40000 50000

Яв

Рис.4. Сравнение гидравлического сопротивления однофазного и двухфазного потоков: 5/У=5, х/с1,=11.63.

■

■

-а-

Рис.5. Кольцевой режим течения.

Рис.7. Дисперсно-кольцевой режим течения.

4 0,011

0,00'

0,0001

Рис.6. Кольцевой режим течения. О'

Рис.8. Режим течения в форме шнура.

■ х/<1=7,27 т х/а~29,07 • х/й=14,53 •> х/^3634 А + хА}?43,6

1 лг ■ .: =5 ■

- V, '

г-

8000

9000

юооо НеЬ

Рис.9. Влияние комплекса Ке'Ь на коэффициент гидравлического сопротивления: ь'а-6.

- 4Э-

■ Яе,,-11000

■ ▼ Ке ♦ Яе, Ж Не ,-18000 „-1900^ ,-22000

-а-

▼ Л.

▼ В

* ▼ о ▼ •Л

ж ж ▼ Ж е Т

-

6 7 8 9 10 20 30 40 50

Рис. 10. Влияние параметра х/с1э на коэффициент гидравлического сопротивления: $/&=(>.

■ х/4,-7.27 Т хМ,-29.07 • х/^-14.53 ♦ хМ,=36.34 А х/^-21.8 + х/4,-43.61

0.1-

0,01-

0,00*

а/с1

Рис.11. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от интенсивности закрутки при Яе" =20000.

1

*

Рис.12. Сравнение экспериментальных и расчетных данных: Я„=203.6кВт/м\ g=572 кг/(м2с), Р„=4х 105 Па.

1400-

1200-

«оо-

800-

ДР, Па

600-

400-

200-

■ Расчет по формуле автора • Расчет по модели *)

у-

1

•

I >

1 I

■ ■

о

20000 30000 40000 50000 60000 70000

йе*.

80000

Рис.13. Сравнение данных, рассчитанных по модели С.Э.Тарасевича н по зависимости (15): ч„= 13 8.3 кВт/.«2, ^348 кг/(м2с), Р„=2.1 х 105 Па.

о

0,012

0.01&

Ь, о.ооа-

о,оо&

0,004-

■ ■ ») • б)

•

> • • •

ш ■ ■ ■ ■ в

20000 40000 60000

Яе*

80000

100000

Рис.14. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса: а) - я№=138.3 кВт/м2, ^348 кг/(м2с), Р„=2.1х105 Па; б) - я„,=15б кВт/м2,5=514.1кг/(м2с), Р„=1.8х105 Па.

2509

2000-

1500

АР, Па

1000

500-

0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

1г, м

Рис.15. Сравнение результатов расчета по уточненной формуле (16) и по математической модели: 140.4кВт/м2, 5=1107кг/(м2с), Р«=3.83х105Па, Де*=(2+8.2)х104.

■ Расчет по формуле автора х Расчет по модели *)

1 1

1

1 1

| | 1

1 1

Казанский государственный технический университет

им. А.Н.Туполева

На правах рукописи

АНТИПИН МИХАИЛ КОНСТАНТИНОВИЧ

УДК 532+533

ГИДРОДИНАМИКА ОДНО- И ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В КОРОТКОМ КАНАЛЕ С НЕПРЕРЫВНОЙ ЗАКРУТКОЙ ПОТОКА

01.02.05 - механика жидкостей, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Ю.Ф.Гортышов

Научный консультант д.т.н., доцент С.Э.Тарасевич

Казань 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................ 4

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................. 6

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ...................................... 12

1.1 Гидродинамика потоков в полях массовых сил....................... 12

1.2 Гидравлическое сопротивление двухфазных потоков в трубах................................................................................................................. 20

1.3 Гидравлическое сопротивление закрученных потоков..........

1.4 Структура течения двухфазных потоков в каналах................ 43

1.5 Математические модели двухфазного потока........................... 56

1.6 Постановка задачи исследования................................................ 64

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

УСТАНОВКИ. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ............................ 66

2.1 Описание экспериментальной установки..................................

2.2 Методика проведения экспериментов........................................ 76

2.3 Методика обработки экспериментальных данных.................. 77

2.4 Оценка погрешностей экспериментальных исследований.... 80

2.5 Анализ результатов исследования гидравлического сопротивления прямой гладкой трубы....................... ................................. 83

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАКРУЧЕННЫХ

ОДНОФАЗНОГО И ДВУХФАЗНОГО ПОТОКОВ.................................. 92

3.1 Результаты исследования гидравлического сопротивления закрученного воздушного потока................................................................. 92

3.2 Результаты обобщения экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению закрученного воздушного потока...................................................................................................................... 97

3.3 Результаты исследования гидравлического сопротивления закрученного воздушно-водяного потока................................................... 106

3.4 Результаты исследования структуры течения закрученного

107

воздушно-водяного потока............................................................................ '

3.5 Результаты исследования гидравлического сопротивления закрученного воздушно-водяного потока в условиях интенсивного вдува................................................................................................................... 1X6

3.6 Результаты обобщения экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению закрученного воздушно-водяного потока в условиях интенсивного вдува....................................................... 125

ГЛАВА 4. УТОЧНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА....................................................... 130

4.1 Основные положения математической модели кипения закрученного потока жидкости при расслоенном режиме течения с эффектом Лейденфроста и ее уточнение с учетом особенностей течения на начальном участке канала....................................................... 130

4.2 Апробация результатов исследования гидравлического сопротивления закрученного воздушно-водяного потока в условиях интенсивного вдува на уточненной математической модели................ 134

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..................................... 141

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................... 143

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................... 153

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

л

q - плотность теплового потока, Вт/м

Т - температура, К

р - давление, Па

Ар - перепад давления, Па

] - инерционное ускорение, м/с2

g - плотность потока массы, кг/(м с)

О - расход, кг/с

'И' - скорость, м/с

р - плотность, кг/м3

К - коэффициент истечения

с1 - диаметр, м

аэ - эквивалентный диаметр, м а - угол подъема витка скрученной ленты, °

X - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)

2

Р - площадь, м

X - массовое паросодержание Ь - параметр вдува в - шаг закрутки ленты, м Ь - длина, м 5 - толщина пленки, м

|и - динамический коэффициент вязкости, (Нс)/м2 £ - средний коэффициент гидравлического сопротивления С, - местный коэффициент гидравлического сопротивления т - напряжение трения, кг/м2 а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м

Индексы

' - жидкость " - пар см - смесь э - эквивалентный

- стенка f- поток л - лента пл - пленка п - пар

\ - номер сечения ж - жидкость тр - трение уск - ускорение вн - внутренний н - наружный ст - стенка гр - гравитация вх - вход вых - выход вд - вдув

ВВЕДЕНИЕ

В различных устройствах современной техники, таких как камеры сгорания двигателей, ядерные энергетические установки, парогенераторы, используются трубы, каналы и другие поверхности различной геометрии, в которых имеет место двухфазное течение теплоносителя. Назначением устройств и степенью их ответственности определяются предъявляемые к ним требования: длительная надежная работа; заданная энергонапряженность при фиксированных геометрических размерах установки; фиксированные температурные напоры или температуры теплоотдающих поверхностей при заданных плотностях теплового потока.

Реализовать на практике эти требования можно лишь при условии применения тех или иных методов интенсификации теплообмена. В работах Э.А.Болтенко отмечается, что на сегодняшний день особенно актуальна задача интенсификации теплообмена с теплоотдающих поверхностей в прямоточных парогенерирующих устройствах, в которых на вход подается не догретый до температуры насыщения теплоноситель, а на выходе отбирается перегретый пар. Для обеспечения надежной работы прямоточных парогенерирующих устройств необходимо либо значительно повысить теплоотдачу в области кризиса и закризисной теплоотдачи, либо обеспечить бескризисный режим работы, перенеся границу возникновения кризиса в область более высоких тепловых нагрузок. На сегодняшний день создание прямоточного парогенерирующего устройства, имеющего приемлемую геометрию, без использования того или иного способа интенсификации теплообмена невозможно.

В случае течения однофазного теплоносителя эффект, полученный в результате интенсификации, оценивается по увеличению коэффициента теплоотдачи. Эффективность того или иного способа интенсификации теплообмена определяется соотношением коэффициентов теплоотдачи с

интенсификаторами и без них при одинаковом расходе теплоносителя. По мнению многих известных исследователей ([8], [29], [75] и др.), такая оценка отвечает физическому смыслу процессов, с помощью которых достигается интенсификация теплообмена. Конвективный массообмен между ядром потока и пристенным слоем, турбулизация течения с целью разрушения ламинарного подслоя, обладающего высоким термическим сопротивлением, - вот основа процесса интенсификации. В случае течения в канале двухфазного теплоносителя эффективность способов повышения теплоотдачи оценивается по увеличению зоны бескризисного кипения. Под критерием эффективности интенсификаторов в этом случае понимается отношение критических мощностей в каналах с интенсификаторами теплообмена и без них при одинаковых давлении, входной температуре и расходе теплоносителя (Э.А.Болтенко).

Несомненно, что форма поперечного сечения канала оказывает влияние на течение теплоносителя. Условия, при которых происходит формирование режимов течения (в разных по форме и геометрии каналах генерируются разные виды вторичных течений) и кризиса теплообмена при кипении, изменяются, но физические принципы этих процессов одинаковы.

Кризис теплообмена при кипении возникает вследствие нарушения непосредственного контакта между жидкостью и охлаждаемой поверхностью. Следовательно, для обеспечения надежной работы на заданном режиме необходимо либо восстановить нарушенный контакт, обеспечив тем самым отвод тепла с поверхности канала и не допустив его перегрева и разрушения, либо организовать процесс кипения таким образом, чтобы образование прослойки пара между жидкостью и стенкой канала происходило при возможно больших значениях паросодержания и тепловой нагрузки. Практическая реализация указанных вопросов и является целью интенсификации теплообмена при кипении.

Существует ряд способов решения этой задачи. Но, по-видимому, наиболее эффективным из них является закрутка потока теплоносителя. Следует указать, что именно с помощью установки скрученной ленты на всю длину трубы получено полное выкипание жидкости без кризиса теплообмена (Э.А.Болтенко).

При выборе способа интенсификации необходимо в комплексе рассматривать следующие показатели: увеличение коэффициента теплоотдачи, величину критической плотности теплового потока, увеличение потерь давления (по сравнению с каналом без интенсификатора).

Поскольку интенсификация теплообмена дает возможность испарить теплоноситель на длине, значительно меньшей, чем длина канала без интенсификатора, возникает необходимость исследования течений в коротких каналах, имеющих свои особенности (профили скоростей не установились, пограничный слой не сформировался).

Имеющаяся информация по данному вопросу получена в основном экспериментальным путем. На достоверность получаемых данных оказывают влияние многие факторы, в том числе трудности, связанные как со сложностью объекта исследования, так и с небольшим выбором средств, имеющихся в распоряжении экспериментатора. Подходы к обобщению экспериментальных данных разноречивы и также нуждаются в дополнительном анализе. В связи с этим задача экспериментального исследования гидравлических характеристик таких каналов, структуры двухфазного потока, а также усовершенствования методов диагностики двухфазных потоков является актуальной и представляет практический интерес.

В связи со сложностью получения информации экспериментальным путем, важную роль играет математическое моделирование процесса кипения. Использование математической модели позволяет проводить расчеты в широком диапазоне геометрических и режимных параметров. На

основе моделирования можно выполнять сравнительный анализ тех или иных способов интенсификации теплообмена.

Основная цель выполненной работы состояла:

1. в проведении экспериментальных исследований гидравлических характеристик и режимов течения закрученных одно- и двухфазных потоков в коротком канале.

2. в уточнении (на основе полученных экспериментальных данных) математической модели кипения закрученного потока при закризисных режимах кипения с учетом особенностей начального участка.

Решение перечисленных научных проблем и практическое использование результатов работы позволяет:

- расширить фундаментальные знания о процессах теплообмена и гидродинамики в полях массовых сил;

- проводить оценку гидродинамического состояния испарительной магистрали;

- осуществлять сравнительный анализ испарителей.

Диссертация выполнена на кафедре теоретических основ теплотехники Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева (КАИ) в период с 1995г. по 1998г. под научным руководством Заслуженного деятеля науки и техники Республики Татарстан, доктора технических наук, профессора Гортышова Юрия Федоровича. Научный консультант - доктор технических наук, доцент Тарасевич Станислав Эдуардович.

Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской работой по теме «Исследование теплообмена и гидродинамики при взаимодействии турбулентных двухфазных криогенных потоков с поверхностью в условиях действия инерционных массовых сил» и в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция» по проекту №244 «Создание учебно-научного центра Энергомашиностроение -

эффективной системы развития фундаментальных наук и высшего образования в области энергетики и механики.»

По исследованной проблеме в качестве новых научных результатов получены:

- экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению одно- и двухфазного потоков в коротком канале со вставкой в виде скрученной ленты;

- экспериментальные данные по структуре и режимам течения двухфазного потока в коротком канале со вставкой в виде скрученной ленты;

- экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению двухфазного потока в коротком канале со вставкой в виде скрученной ленты в условиях вдува газа;

- закономерности устойчивого течения вращающейся пленки жидкости в условиях двустороннего динамического воздействия, границы этого течения, экспериментально смоделирован расслоенный режим течения с эффектом Лейденфроста при течении двухфазного потока без обогрева;

- с учетом полученных экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению уточнена математическая модель кипения закрученного потока при закризисных режимах кипения.

Отмеченные выше научные результаты составляют основное содержание положений, выносимых на защиту диссертации.

Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на III Минском международном форуме «Тепломассообмен - ММФ-96», на Всероссийском научно-техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика» (Казань, Высшее артиллерийское командно-инженерное училище им. М.Н.Чистякова, 1996, 1998г.г.), на III Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Казань, 1997г.), на 14 Национальной конференции

«Тепломассообмен - 97» (Канпур, Индия, 1997г.), на V Международном семинаре «Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей -V» (Новосибирск, 1998г.), на Международной научной конференции студентов и аспирантов «Современные аспекты гидроаэродинамики - 98» (С.-Петербург, 1998г.), на II Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998г.), на научно-техническом семинаре лаборатории промышленных испытаний атомного энергетического оборудования (С.-Петербург, ЦКТИ, 1997г.), на научно-технических семинарах кафедры ТОТ КГТУ им. А.Н.Туполева.

По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Автор выражает глубокую признательность Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации и Республики Татарстан, доктору технических наук, профессору Щукину В.К. за ценные советы и участие в обсуждении и анализе полученных результатов.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В главе представлен обзор работ по гидродинамике одно- и двухфазных потоков в трубах и каналах, рассмотрены способы интенсификации теплообмена. Сформулированы цели и задачи исследования.

1.1 Гидродинамика потоков в полях массовых сил

Все явления, наблюдаемые в земных условиях, протекают в поле массовых сил. Развитие науки и техники значительно расширило круг вопросов и задач, в которых массовые силы оказывают существенное либо определяющее влияние на протекание гидродинамических процессов. В таких условиях находятся потоки охлаждающей жидкости в турбинных лопатках при их внутреннем охлаждении, потоки охлаждающей жидкости или масла, проходящие через вращающиеся валы и радиальные каналы турбомашин или электрогенераторов с внутренним охлаждением, потоки охлаждающего воздуха, протекающего через отверстия в дисках турбомашин или через зазоры в замках турбинных лопаток, потоки жидкости или газа, протекающие через охлаждаемые проводники электрогенераторов.

При вращательном движении среды возникают инерционные, центробежные и кориолисовы силы. Центробежные силы направлены от оси вращения, их величина определяется расстоянием от оси и скоростью вращательного движения. Поэтому избыточные массовые силы возникают как из-за разности плотностей отдельных объемов жидкости, так и вследствие различного расстояния их от оси вращения и разной скорости вращательного движения.

Центробежные силы могут быть использованы для искусственной интенсификации теплообмена. Закрутка потока в трубах с помощью завихрителей позволяет значительно интенсифицировать теплообмен и уменьшить размеры и вес теплообменных аппаратов, но требует при этом дополнительных затрат энергии на прокачку теплоносителя [75].

Избыточные массовые силы могут возмущать поток, вызывая в нем циркуляционные течения, или стабилизировать его, подавляя возмущения, возникающие под влиянием сил давления.

Избыточные массовые силы являются причиной возникновения ряда характерных особенностей, приводящих к изменению условий взаимодействия потока с поверхностью твердого тела.

Частный случай движения потока в поле массовых сил - его течение в трубе со вставкой в виде скрученной ленты. Данной тематикой занимались многие известные исследователи ([77], [33], [27] и др.), но, как отмечено в [75], экспериментальные результаты, представляемые в разных работах, плохо согласу