Изучение поведения распределения плотности вероятности и спектров пульсаций скорости и температуры в турбулентном потоке во вращающейся трубе термоанемометрическим методом тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

•11, ~2 ал

С I.

ГОСУДАРСТВЕННШ КОМИТЕТ ПРИ СОВЕТЕ МИНИСТРОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ НАШ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ.

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИИ ИНСШГУТ.'

ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ВЕРОЯТНОСТИ И СПЕКТРОВ ПУЛЬСАЦИИ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОТОКЕ ВО ВРАЩАЩЕИСЯ ТРУБЕ ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ.

Специальность 01.02.05 - мехаяшса жидкостей газа и плазмы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

. На правах рукописи УЯК 532.316:532.517.4

Садовский Максим Владимирович

Москва - 1991 г.

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени физико-технической институте.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор А. Т.Онуфриев, кандидат физико-математических наук, П. Г. Эаец.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор А. А. Павельев,

доктор физико-математических наук, профессор А. Н. Секундов.

Ведущая организация: Центральной аэро-гидродинашческий институт СЦАГЮ.

Защита состоится "_" _ 1992 г. г _часов

на заседании Специализированного Совета К.-063.91.05. при

Московском физико-техническом институте

(141700, г. Долгопрудный, Институтский пер., д.9)

С диссертацией ыохно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан "_" _ 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

кандидат физико-математических наук К. Г. Сыоляков

-V от?-!>,.•;.

- <

I

—" Актуальность проблемы. Турбулентное движение является наиболее распространенным видом течения жидкости ига газов и п природа, ив технике, а проблема турбулентности - одной из вавных нерешенных задач гидромеханики. Несмотря на стремительное развитие в последнее время вычислительной техники и появившейся в связи с этим возможность» прямого численного моделирования па основе уравнений Навье-Стокса, продолжает совершенствоваться полуэшшри-ческие подходы, основанные на экспериментальных данных.

Их развитие идет по пути.усложнения иолелей, распространения их на новые классы турбулентных течений, в частности, па потоки с сильный внешним воздействие«. Трабуется знание вей большего количества функций, описывающих поведение турбулентнкх потоков: кроме полой средних скоростей, нитанснгшостсЗ пульсаций и напряжения трснил нугпн интегральные и ишсромасштзбы, слектрн для ьюкоитоэ различии порядков, Лункщш распределения плотности вероятности СВД18).

Изучение турбулентных завихренных течений и переноса ют пассивной примеси является в настоящее время одной из зктуальнж пробле;,{ в связи с распространением таких точений в природе С атмосфера, океан) и технике. Для ряда практических приложений ваяло ввфать адокватауа модель спектров пассивной примеси в таких потоках, позволявшую описывать широкий интервал волновга чисел, вклвчая онергетичесниЯ и диссапативннл диапазоны. Теоретическое описание завихренных явлений довольно слоига. Судествузсдоэ в настоящее время полуэмпирнческио теории используют результаты окспе-роджташпос исследований, что определяет большой интерес к последа*«. Экспериментальных данник о статвстичосках характеристиках в полностью раэвктвх турбулеятшпе кскаотерияческпх завичрен-

- г -

ных потоках в настоящее время недостаточно, что связано с трудностью их лабораторного моделирования, методической сложностью одновременного измерения с приемлемыми погрешностями скорости и температуры в широком диапазоне спектра, необходимостью накопления и обработки огромного количества информации.

Наряду со спектральными амплитудные характеристики, определяемые ФРПВ, является основными при описании поведения турбулентных потоков. Исследование конечномерных функций распределения -одно из перспективных направлений при статистическом подходе гс проблеме турбулентности. Особенно плодотворно оно при анализе процессов смешения и переноса пассивной примеси в турбулентных потоках, что определяет интерес к новым экспериментальным данным по совместным ФРПВ скорости и температуры.

Целью работы является получение экспериментальных данных о поведении одномерных спектров для интенсивности пульсаций температуры и продольной составляющей скорости, продольного турбулентного потока тепла и совместных ФРПВ скорости и тешюратуры дня турбулентного неизотормнческого потока в круглом канале, а также изучения влияния на них завихренности потока, создаваемой сращением трубы относительно продольной оси.

Научная новизна состоит в следующем: • - проведена разработка методических вопросов, связанных с использованием термоанемометра постоянной температуры для измерения турбулентных пульсаций продольной составляющей скорости и температуры; сделана сценка величины и предложена методика учета разности между статической и динамической калибровкам из-за влияния концевых эффектов в термоанемомэтрическом датчике;

- получены новые экспериментальные данные о влиянии длины нити датчика термоанемометра и времен» накопления сигнала на измерение статистических характеристик турбулентности;

- измерены для развитого турбулентного потока в трубе спектры моментов второго порядка С интенсивности пульсаций скорости, температуры и продольного турбулентного потока тепла);

- установлено, что в приосевой области течения, где кет сильного взаимодействия не аду средними и пульсациошшкк потоками, измеренные спектры температуры и скорости в знергоссдеряащем и диссипативном диапазонах частот близки к спектрам однородного изотропного течения в т.н. обобщенной модели Кармана СДрисколл и Кеннеди,1983,1985; Заец П.Г.,1586); определявшим параметром для температурных спектров является безразмерное число Я = . ргI ^ = 0.8 •тт/гц 'йе^, где Ре^ и Ео^ - числа Пекле

и Рейнольдса, построенные на основании температурного и скоростного Тэйлоровских кикромасштабов, тти гц - температурный и скоростной временные микромасштабы; представление спектрального распределения в зависимости от волнового числа, нормированного на интегральный масштаб, начисленной по обобщенной ¡«¡дела Кармана, имеет более универсальный вид;

- получены экспериментальные данные по поведении совместной ФРПВ скорости и температуры в том числе и в области больших (2 4о") отклонений пульсационних величин от средних значений;

- показано, что линии условного среднего для совместных ФРПВ в области больших амплитуд пульсаций отклоняются к осям . координат, что может свидетельствовать об ослаблении корреляционных связей для турбулентных выбросов, сильно отклоняющихся от средних значений;

- впервые получены систематические данные к изучены закономерности поведения одномерного спектра пульсаций температуры и совместной ФРПВ температуры и продольной составляющей скорости в турбулентном потоке в трубе, врацапцейся относительно продольной оси.

Практическая ценность. Предложенная методика одновременного измерения скорости и температуры при помощи термоанемометра постоянной температуры и динамической калибровки термоанеыометрическо-го датчика с короткой нитьо позволяет для потоков с большой интенсивностью пульсаций температура корректно измерять мгновенные значения температуры и продольной составляющей скорости, достичь высокого временного и пространственного разрешения без применения датчиков с питье очень ¡¿алых (порядка 0. 3 рм) диаметров.

Полученные экспериментальные данныо и их анализ показывает, что существует достаточно универсальные зависимости для спектральных распределений интенсивности пульсаций температуры Это открывает возможность создания приближенного метода расчета спектральных характеристик в неизотермическом, закрученном турбулентном течении.

Отклонение линий условного среднего в экспериментально измеренных совместных ФРПВ к осям координат в области больших отклонений величины пульсаций от средник значений могут служить косвенны,; подтверждением справедливости гипотез замыкания цепи уравнений турбулентности, пояагащих равенство нулю кумулянтов ст&р-ешк порядков. Экспериментальные данные о поеодснки смотанных моментов скорости и теьтгературы югут явиться основой для уточнения кяи разработки новых пояуогяпфачзских теорий турбулентного переноса.

Работа выполнена в рамках НИР МФТИ по важнейшей тематике.

Апробация работы. Основные результата диссертации докладывались и осуждались на-.

Конференции молодых ученых ЮТИ, 1989 г.;

Всесовзном семинаре "Измерения в потоках: методы, аппаратура и применение", Москва, 1990 г.;

Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов- "Современные проблемы теплофизики", Новосибирск, 1990 г.;

Научной конференции МФТИ, 1990 г.;

Всесоюзной конференции по проблемам механики неоднородных сред и турбулентных течений, Одесса, 1990;

на научных семинарах кафедры физической механики МФТИ, 1989, 1990, 1991гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 печатные работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 178 наименований и трех приложений. Общий объем диссертации: 126, страниц основного текста, 58 страниц приложений, 93 рисунков и 5 таблиц.

!

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность и практическая ценность работы, сформулированы основные научные положения, которые обосновывается в диссертации.

Первая глава содержит данные об устройстве установки ' (см. Рис. 1) и ее основных параметрах. Измерения проводились при относительном радиусе Р/й0= 0.0. ,.0.9 в'выходном сечении лрямолннеЯ-

ной круглой трубы диаметром 60 мм и длиной 125 калибров, в которой устанавливался полностыз развитый турбулентный поток воздуха со скоростью на оси около 10 м/с и числом Рейнольдса р>е = Щс = 40000. Воздух в канал подавался в канал из магистрали высокого давления С200 атм. ) через редуктор, игольчатый регулятор расхода, систему поддержания постоянной температуры .СВО + 70°С), ресивер и сопло Битонинсксго, имеющее степень поджатая 12. На входе в канал установлен турбулизатор, представлявший собой плоскуг) звездсобразнув.структуру. Точность установки и поддержания расхода составляла около 0.3% /час, а температуры -0.1°К/час. [2,83

Выходная секция трубы длиной 25 калибров охлаждалась водой для создания кеизотермичности потока и могла вращаться вокруг продольной оси со скорость!) от 3 до 70 оборотов в секунду. при возможной плавной регулировке числа оборотов с точностью и стабильности ке хуже 1'л. Различия в температуре стенки вдоль всей охлаждаемой части канала не превышали 0.5°С при перепаде температур ось-стенка в выходном сечении трубы около 25°С. Время выхода установки на стационарный режим составляло примерно 1 час.

Профили средней скорости, температуры (см. Рис.2), интенсивности пульсаций и напряжения трения при неподвижной выходной секции канала соответствуют наиболее точным измерениям, опубликованным в литературе в последнее время. При вращении выходной секции канала профиль азимутальной компоненты скорости отличается от профиля, соответствующего твердотельной закрутке - центральная часть потока вращается с меньшей угловой скоростьв. С увеличением скорости вращения снижаются радиальные потоки, уменьшается турбулентная теплопроводность, и профили средней температуры становят-

ся более наполненными.

Вторая глава содержит изложение структуры Сем. Рис.3) и характеристик измерительного комплекса, методики измерений, а таккэ введения поправок на учет разницы между динамической н статической калибровка,ми, вызванной кокцовыш аффектами в датчике.

Сбор и обработка экспериментальных данных проводились на .измерительном комплексе, включазшем термоанемометрическуо и усилительную аппаратуру фирмы DANTEC С DISA. ) серий И и D, а тахге специализированнув ЭВМ "PLURIMAT - S" и персональный компьютер IBM AT 255/237.

Сигнали с термоанемометров поступали в блоки предварительной аналоговой обработки сигнала S5DSS и 55D26, где осуществлялась их фильтрация фильтром низкой частоты, вычитание постоянной составляющей и усиление. Далее сигнали через мультиплексор и IS-разрядный амплитудно-цифровой преобразователь уже в оцифрованном виде блоками по 2048 чисел вводились в память "PLURIMAT~S" и сразу же записывались на цифровой магнитофон для дальнейшей обработки. При накоплении спектров и гистограмм обрабатывались реализации длиной 1400 блоков. Частота дискретизации во время большинства измерений составляла 10 кГц, а частота среза фильтров низкой частоты - 5 кГц при крутизне слада амплитудно-частотной характеристики - 18 дб/окт.

Вычисление спектров производилось с помощью быстрого преобразования Фурье, работающего с массивом из £048 целых чисел в двухбайтовом формате. Вычисление и накопление спектров мощности для обеспечения необходимого динамического диапазона велось в формате с плавающей запятой при длине слова 4 байта.

В тех случаях, когда изучались лишь температурные спектры,

применялся терыоанеыометр постоянного тока СССА) совместно с датчиком DANTEC 55Р31 (1 =0.4 мм, d = 1 yi,ü с учетом динамической калибровки к с последующей коррекцией спектров на вйияние инерции нити. При измерении совместных характеристик турбулентных пульсаций скорости и температуры попользовался термоанемометр постоянной температуры С СТА) н двухнитевой датчик с параллельными нитями разного перегрева (на дергавки датчика DAJiTEC 55Р71 приваривались платинированные вольфрамовые нити диаметром 2.5 ни, длина нитей и расстояние между ними составляли 0.33 мм, прегревы были равны 0.2 и 0.8).

При обработке результатов делалось допущение о линейной зависимости мезду отклонениями сигнала термоанекометра от средних значений и пульсациями скорости и температуры вследствие относительно невысокого уровня интенсивности турбулентности, который во всей исследуемой области потока не превышал 10у, от величины средней скорости и перепада температур ось-стенка: ,, _ ЗЕ I , 5Е „

V дГ 1 + Ш u м,

_ _ öE , , 5Е „ UJ

г" ЗТ2 1 + 3D2 u

где е = Е - (Е >, t = Т - <Т>, u = U - <U> - мгновенные значения

J J J

отклонения напряжения, температуры и скорости от средних значе-

эт» атр

ний, и gjjjj - значения чувствительностей термоанемометра в

точке измерения. Система (1) благодаря использованию существенно различных значений степени перегрева и сравнительно высоким значениям интенсивности температурных пульсаций оказывалась хорошо обусловленной и разрешалась относительно пульсаций скорости и температуры ври приемлемом отношении сигнал/шум CS/H а; 60).

При использовании термоанемометра постоянной температуры совместно с датчиками, иыеввдми малое отношение длины нити к диа-

метру 1/с1 аг 100, вследствие.концевых эффектов С уменьшение доли пульсационного потока тепла от нити к державкам с ростом частоты колебаний температуры потока из,-за тепловой инерции державок) коэффициенты чувствительности в системе С1), определенные при калибровке по средним значениям:

- <Е > - <Е > стат. ~ ^Г > -'('Г27

1 г

(2)

Ш) динаыГ С3}

значительно С в 1.7Л.9 раза, см. Рис.'4 ) отличаются от чувствительности к колебаниям температуры с частотами более 3 Гц: Г<ЗЕ1 . _ /ТТЛ

Ч ^

где Ег и Ев - спектральные плотности температуры и напряжения на выходе термоанемометра соответственно, Г £ 5 Гц - частота. Поэтому калибровка датчика Р71С13 С1 - 0.33 мм) проводилась при сравнении в энергосодеркацей области (3 + 200 Гц) спектров Ет, Ец, Ецт, полученных при помовд этого датчика с эталонными спектрами. В качестве последних для каждой исследуемой точки потока были взяты спектры, измеренные датчиком Р71С2) с большим отношением длины нити к ее диаметру ( 1/с1 = 1400 ), для которого различие калибровочных коэффициентов [§)стат и [||]дияам. не превышает погрешности их определения.

Типичные значения производных при использовании датчика с длинами нитей 0.3 мм а относительными перегревами а(= 0.13, а = 0.88 и термоанемометра 55Ш1/55М10 без линеаризатора были равны с учетом поправок на динамическую калибровку:

6Е _ _ о п мВ . 5Е _ _ р я мВ .

ЗГ" -

6е _ 4 с ! мв . зе - ра ? ш ■ ("¿.1

ЭТ ~16Л ТРс > - 24,2 М/С' ш

® оЕ, „

Ш °и Ш* °и

В третьей главе проведена оценка величины вероятных ошибок эксперимента, изложены результаты экспериментальной работы по определении влияния длины нити термоанемометрического датчика на измерение статистических характеристик турбулентности. Среди причин, приводящих к погрешностям в измерении статистических характеристик турбулентности анализируется: влияние установки фильтра .низких частот, нелинейность термоанемометра постоянной температуры, неучет динамической калибровки датчиков, искажение чувствительности нити в измерительной аппаратуре, ограниченное время анализа, дрейф условий эксперимента, применение гипотезы Тейлора.

Погрешности, связанные с дискретным представлением сигналов малы и не превышает 1 ~2°л. Точность определения калибровочных коэффициентов оценивалась в 2 + 4'Л, что приводило к искажениям спектров в пределах 5 + 10%. Ошибки, связанные с нелинейностью термоанемометра, оказались по величине близкими к погрешностям из-за чувствительности датчика к поперечным пульсациям скорости и составляли 3-7% в зависимости от интенсивности пульсаций. Наибольшие искажения возникали при одновременном отклонении скорости и температуры от средних значений и могли достигать 10°4 при 1'= 4сгт, и'= 4а .

Ошибки, возникавшие из-за конечного времени анализа, были снижены до приемлемого уровня С Зу> -для спектров во всем диапазоне частот, менее IV. - для.интенсивностей пульсаций, около 5% -для величины моментов до 4-го порядка) за счет использования большого числа реализаций С 1400 реализаций для спектров и более 2-Ю4 некоррелированных отсчетов для определения ФРПФ 3 для уменьшения статистического разброса. Однако, значение совместных 4>РПВ при отклонениях от средних значений, превышаодих 5а, определялось с

и -

большой погрешность», достигающей десятков процентов, хотя ошибка в определении величины условных средних при этом была существенно меньше С около 10 * 20%).

Проведенный анализ ошибок, связанных с применением гипотезы Тэйлора для преобразования частотных спектров в пространственные, выявил противоречивость литературных данных о величине и знаке .необходимой коррекции. Величина конвективной скорости в трубе для пульсаций скорости зависит от частоты, положения в потоке и меняется в диапазоне 0.75 * 1.2 от средней скорости. Литературных данных о величине конвективной скорости для пульсаций температуры в трубе ке было найдено, и данный вопрос требуот дальнейшей разработки.

Изучение влияния длины нити на измерение скоростных характеристик турбулентности выполнялось с использованием набора самостоятельно изготовленных датчиков с размером чувствительного элемента в диапазоне 0.23 + 2. 5 мы. Искажение спектра из-за усреднения по длине нити в эксперименте оказалось близким к теоретическим оценкам Бингаарда. Показано, что использование стандартного однснитевого датчика 55Р11 фирмы БАОТЕС приводит к ошибке в несколько процентов при определении интенсивности пульсаций скорости на оси трубы при средней скорости 10 м/с и к ошибке около 20У. при определении величины диссипации. Использование предложенной методики определения характеристик турбулентности по максимуму диссипативного спектра позволяет существенно уменьшить влияние конечности датчика.

Увеличение длины нитч тер.чоан^'ометричсского датчика влияет также на измерение ФРПВ турбулентных пульсаций скорости. При этом "зарезастся хвоста" функции распределения, так что при величине

пульсации 4си ФРПВ, измеренная саиш длинным датчиком, на 30'/, яеныае, чем ФРПЗ, полученная при помощи; датчика длиной 0.25 мы. Однако, форма ФРПВ искажается слабее, т.к. изменение длина датчика в диапазоне 0.25 + 2. 5 и.! не влияет-в предела;': точности эксперимента на изиеренио моментов пульсаций скорости до 8 порядка включительно,-ооезраз^ерешшх на величину соответствующего стандартного отклонения ст .

В четвертой главе излагается новые экспериментальные данные о спектрах температуры к продольной составляющей скорости, проведено их сравнение с обобщенной моделью Кармана для однородной, изотропной турбулентности, исследовано влияние завихренности потока на спектральные распределения.

Для развитого турбулентного неизотершческого потока в трубе были измерены с учетом динамической калибровки спектры мощгости пульсаций тешературы, продольной составляющей скорости и продольного диффузионного потока тепла. В диссипативной части температурного спектра, обеэразыеренного на величину ыикромасштаба Коррскна 1)д и удельную скорость убывания ыеры температурной неоднородности ¿ц, экспериментальные данные близки к универсальной зависимости, описываемой обобщенной моделью Кармана, и имеющимся в литературе данным Сем. Рис.5). [4,5]

В области течения вблизи оси труби, где нет сильного взаимодействия иевду средним и пульсационныш потоками, одномерный спектр мощности пульсаций температура в энергосодержадем диапазоне частот близок к спектру однородного изотропного течения с определяющим параметром Б, построенный на основании локальных чисел Рейнольдса, Пеклэ и числа Прандтля Сем. Рис.63. Положение макси-

V- р (1, ■)

мума величины п4 1 /<Т'г> на шкале волновых чисел кД01, обез-

размеренных на интегральный масштаб, почти не зависит от параметра Б, а значение отого максимума является функцией этого параметра.

Спектральные распределения для продольного потока топла, представленные в соответствующей безразмерном виде такяе близки к универсально!! зависимости. Соотношение между температурным л ско-.ростнцм микромасштабами, пропорциональное величине изменя-

ется в зависимости от относительного радиуса, уменьшаюсь в 1.3 раза при перехода от осп к пристеночной области.

Появление завихренности, связанной с вращением канала, приводит к уменьшение теплообмена между стенкой трубы и потоком и снижению взаимодействия среднего и пульсационного потоков. При этом по поперечному сечению потока вплоть до относительного радиуса 0. 8 - 0.9 распределение энергии пульсаций температуры по спектру становится близким к распределение в спектре, характерном для однородной, изотропной турбулентности (см. Рис.65. Определявшим является параметр Б, который при увеличении завихренности снижается. При возрастании скорости закрутки труби спектральная плотность в энергссодержацем диапазоне уменьшается сильнее, чем в

дмССПП^ТоГ^гСм.

В пятой главе излагается результаты анализа экспериментальных данных по одномерным ФРПВ пульсаций температуры и совместным ФРПВ скорости и температуры, влиянию на них завихренности потока и ограничения частотного диапазона.

Впервые были получены совместные плотности вероятности продольной составляющей скорости и температуры для неизотермического полностью развитого турбулентного потока в трубе в нескольких точках по радиусу СИ/Й = 0.0, 0.3, 0.4, 0.6, 0.7, 0.73, 0.8, 0.9)

- и -

в области больших отклонений, от средних значений С см. Рис.7). Сравнение измеренных функций распределения с совместными ФРПВ, соответствующими нормальному процессу с корреляцией, свидетельствует о том, что максимальное расхождение в форме характерно для оси потока, а наибольшее соответствие наблюдается для области с относительным радиусом около 0.7.

В области больших величин пульсаций С (4 + 6)а ) линии условных средних для совместной ФРПВ (линии регрессии) отклоняются к осям координат, что, по-видимому, свидетельствует об ослаблении корреляционных связей для пульсаций большой амплитуды. Аналогичное поведение линий регрессии для совместных ФРПВ продольной и поперечной составляющей скорости было получено Марковым Ю. Б., Уепка1ага.тагй К.Й. е1а1. , Ггепк1е1 & К1еЬапоГГ, Головановым ю. В. (для скорости и температуры) для течений в струе и за решеткой. Этот результат не является следствием ограниченности частотного диапазона термоанемометра или конечности размеров термоанемомет-рическога датчика датчика, т.к. линии регрессии в совместных ФРПВ для сигнала, отфильтрованного так, чтобы существенно подавить диссипативную или низкочастотную часть спектра, слабо (менее 10*) при этом уменьшив интенсивность пульсаций, аналогичным образом отклоняются к осям при увеличении амплитуды пульсации. Фильтрация слабо влияет на форму совместной ФРПВ и изменяет моменты до четвертого порядка, обезразмеренные на среднеквадратичные отклонения, в пределах 15%. Наиболее сильно изменяется величина смешанных моментов <ц*Т> и <иТ3>.

Введение завихреннооти потока при вращении выходной секции трубы относительно продольной оси увеличивает отличие экспериментально измеренных совместных ФРПВ от нормальных (см. Рис.8), сни-

жает коэффициент корреляции между скоростью и температурой в центральной части потока. Увеличивается доля пульсаций, имеющих амплитуды более 4а. Характер поведения линий регрессии в области больших отклонений от средних значений не изменяется, а их отклонение к осям координат становятся более выраженным.

Основные результаты и выводы рабйты.

1. Разработана методика определения пульсаций продольной составляющей скорости и температуры при помощи термоанемометра постоянной температуры с двум нитями разнох'о перегрева, позволяющая учитывать различие между статической и динамическими калибровками, которая дает возможность с приемлемой погрешкостьо измерять спектры скорости и температуры в плота' до максимума диссипа-тивного спектра.

2. Показано, что диссипативная и энергосодержаиая части одномерного спектра температуры и продольного потока тепла, представленные в безразмерном виде с использованием микромасштаба Коррсина и удельной скорости убывания меры температурной неоднородности, обладает универсальным поведением. Определяющим параметром является величина 5 = ^Ед^.рг1'2 ■ Универсальные зависимости близки к зависимостям обойденной модели Кармана для изотропной, однородной турбулентности. В зависимости от степени неоднородности потока ( по мере удаления*от оси трубы ) происходит систематическое искажение спектральных кривых. Спектральные распределения для продольного потока тепла, представленные в соответствующем безразмерном виде, такге близки к универсальной зависимости.

3. Получены дополнительные экспериментальные данные и изуче-

ны закономерности поведения одномерных спектров мощности пульсаций температуры в полностью развитом турбулентном неизотермическом потоке в трубе, вращающейся относительно продольной оси. Появление завихренности, связанной с вращением канала, приводит к уменьшена тешюобывна между стенкой трубы и потоком и снижение взаимодействия среднего и пульсационного потоков. При этом по поперечному сечению потока вплоть до относительного радиуса 0.8 - 0.9 распределение энергии пульсаций температуры по спектру становится близким к распределение в спектре, характерном для однородной, изотропной турбулентности.

4. Впервые были получены совместные плотности вероятности продольной составляющей скорости и температуры для неизотермического полностьи развитого турбулентного потока в трубе, в области больших отклонений от средних значений и изучено влияние на ни> завихренности течения. Показано, что линии условных средних Сли-нии регрессии) отклоняются к осям в области больших величин пульсаций С (4 ^ 6)ст ), что, по-видимому, может свидетельствовать ос ослаблении корреляционных связей для пульсаций большой амплитуды.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1) Садовский М. В; "Спектральные исследования термоанемоме трическим методом неизотермической ^тпуи и? выходе круглой трубы' // В кн.: XV Всесоюзная школа молодых ученых "Современные вопрос! теплофизики", анн. докл., Новосибирск, ИТФ СО АН СССР, март 1990. с. 22-24.

2) Заец П. Г., Онуфриев А. Т., Садовский М. В. "Спектрально' изучение неизотермической струи. Модель спектра пульсаций темпе ратуры" // В кн.: Всесоюзный семинар "Измерения в потоках. Мета ды, аппаратура и применение", анн. докл., Москва, ИВТ АН СССР : ШШС АН СССР, январь 1990, с. 43-44. ■

Рис 1 Схема экспериментального стенда: 1 - магистраль высокого давления; 2 - запорный вентиль; 3 - расходный редуктоц; 4 - нагревательное устройство; 5 - нагревательный элемент; о - датчик температуры; 7 - блок контроля; § - магистраль подачи воздуха в „-лп^н, д .. тООСКТО'ЗЬ СТРУИ' 10 — С ТКЗ.НЫ0, 11

ресивер; 12 - садло Вигоиинского; 13 - турбулизатор; 14 - узль; стыковки секций трубы; 15 - термоизоляция; 16 - врацаемая охлаждаемая секция трубы; 17 - емкость для сбора года 18 электродвигатель; - опорные подшипники; сО - 3^тни< шайбы; 21 - защитный ьожук; 22 - система подачи охлаждающей воды

и,т

CC.At.rkto» ПГУ120 СТЛ ЫИ9« СТА Ьги^ъ* »ПМ10

О) 01 5-ЗИ01

-----1........

лимгариэато!»

Б5М25

лннеаРизато^

55М25

55Д25

П.

55(126

з:

55*12$

пркйвАРитсльнла обработка; I САМ. 1Я ГЯ.ТЕЯ, 0ГГ5ЕТ 1

мультиплексор ГГ-133

ПЛОТТЕР

иЛТАМЛВЕ №-442

ЖЕСТКИЙ диск

В Мб

ци*рааои

15 Мб

4иалагоео—цифровой прсоАрозссателе» СТ-133

— ОВМ Р1Л#*1ЛЛТ-5

J

Рис.З Схема измерительного термоанемометрического комплекса.

(О.) $ <и> "/с ....... 1

4 5 ■ о | е

! 0

N > - 0 / - 8 з - за

ш0> м/с

N о - 0 » - 8 1 о - за

< 1

а

1

а— О ! 7 с 1 Г | в о с.

о» _ г

0.8 _ I Г

-1 -а« -йб -ан -о.2 о о.г ом аь о.а I

ДТЕ[

Ь 0 а -е 1 -Л 1 г

> 1 На", д 3 о --1 д а "с о -д - Л1 « 0 N»16

а - н »32 . ( 0 т. а

----- о с □ 1 с> О _ 1 а О Р а с

1 - - -

-1 -0.Й 0.6 ОЛ 0.2 0 0.2 ол 0.6 0.2 1

Рис.2 Профили средних продольной, <10, - (а), тангенциальной,

<и9>, - (Ь> скоростей, температуры, <Т>, - С с) и интенсивности

пульсаций температуры. <1'а>1/г. • С б) в зависимости от частоты вращения выходной секции трубы.

з

о

Рис. 4. Одномерный спектр пульсаций скорости, (а), температуры, СЫ и напряжения, снимаемого с разных нитей термоанемометра, Сс), для оси труби.

3

Й D

mt) « I1

«0 я M

fi/ii I Ы1; .(ii

i m

ш - M f-0.0 -I 1

!

-Г -У

•I а г ч

t

(1) " <«> ♦ (2) - <t> ,

_Линии. уровня: ü о Q. 2, 0.1, 0.05 , 0.02, ^ 0.01, 0.005, 0.002, 0.001,"' / 0. ОООЬ'

Рис. 7.' Совместная ФРПВ турбулентных пульсаций скорости и температуры РСи.О; стно- г сительная разность экспери- а ментальной и нормальной ФРПВ ОСиД) = СР/Р„) - 1. .2

Линии уровня; -0.5, -0.2, О, 0.2, 0.5, 1, 2, 4, 3.

>1е|Т"ч'

|е,ти,)<н,

ч 0.0 — о.э 0.7 -- м-л 5 - 39 ---56 ........ Л Л /1 (С)

УП '/ ¡к Ш РьгГч / / гг' \

И ' -V?*.' ¡ш л А

/ / ■'

о » )

'о

Рис.6. Одномерный энергетический спектр пульсаций температуры при различной частоте вращения выходной секции трубы (К = 0, 16 и 32 Гц).

¡е„<<, к.«, ,

% 0 о9 N-16 Б (6) А

о.э _ 0.7 о.в ---за ----58 ........ .1.Т гГ\

* \у Л

/\т / модель \ 40

1

о

I» И|Лт

<00

ЕМ-моЗе«,.

б «30 ¥

// / '/ /7 ч 0.0 — о.э —■ N»0 5 - 17 ---л

ы /7 0» 76 —•

1 0 1

Рис.5. Одномерный диссипа тивный спектр пульсации температуры в универсальны координатах.

го i—»

i

\х/н = ■ настоящая работа, юоо

зэ -т-ргт; 1 1 \ 00 10

- гг -

Рис.8 Совместные ФРГВ скорости и температуры во вращающейся труйе. Частота вращения N - 16 Гц Линии регрессии: СП - <и>|£, С2) -

ЛИТЕРАТУРА.

1. Голованов Ю. В. "Экспериментальное исследование статистических характеристик турбулентных пульсаций концентрации прима-си в затопленной струе" // Дисс. яа соиск. уч. степ, к. ф.-н. и. - Лоягспрудиий, 1977.

2. Эаец П. Г. "Экспэрниэнтальнса исследование спэктра турбулентности в потоке во вращавшейся труда" /у Дясс. на сопок, уч. степ. к. ф. -и. н.- Москва, 198S.

3. Марков Ю. Б. Экспериментальное исследование некоторых вероятностная л корреляционных характеристик в турбулентной струе // Дисс. на соиск. уч. степ. к. ф. -п. я. - !i., 1976. •

-i. Driscall R.J. .Kennedy L.A. "A model for turbulent energy spsctrra" /у Phys. Fluids, 1983. -v. 20,Mo. 5. -p. 1223-1233.

3. Driucali R.J. , Kennedy L.A. "A model for the spectrum of passive scalar in an Isotropic turbulence field" // Phys. -Fluids, 1983. -y. 23,N. 1. -pp. 72-80.

0. Frenkiol F.H. , Klebanoff P.S. "Tv?o-dimensional probability distributions in a turbulent field" // Phys,Fluids,1965. -v. 8, H. 12. -pp. 2291 -2293.

7. Venkataranani K. S., Tutu H. // Phys. Fluids, 1975. -v. 18, N 11-p.1413-1420.

8. Сафаров H. А. Поведение параметров развитого турбулентного потока в прямолинейном цилиндрическом канапе, вращавгсемся относительно продольной оси // Дисс. на соиск. уч. степ. к. й. -м. н. -И. ,1536.

Релплрчнт ПФТи let к. Jihwp/OO