Нестационарные эффекты,трение и теплоотдача в пусковых режимах энергетических установок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи

Володин Юрий Гурьянович

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ТРЕНИЕ И ТЕПЛООТДАЧА В ПУСКОВЫХ РЕЖИМАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

01.04.17 — Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

г 6 СЕН 2013

Казань, 2013 005533664

005533664

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Официальные оппоненты: Фролов Сергей Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор, ИХФ РАН, завлаб.

Кирпичников Александр Петрович

доктор физико-математических наук, профессор, КНИТУ, зав. каф.

Якимов Михаил Юрьевич

доктор физико-математических наук, ИПМех РАН, с.н.с.

Ведущая организация: Федеральное казенное предприятие

«Государственный научно-исследовательский институт химических продуктов»

Защита диссертации состоится «16» октября 2013 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002.012.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук (ИХФ РАН) по адресу: 119991, Москва, ул. Косыгина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук (ИХФ РАН) Автореферат разослан «13» сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.012.02 к.ф-м.н.

Голубков М.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Физика горения и взрыва - раздел химической физики, касающийся исследований быстропротекающих химических и физико-химических превращений веществ и систем в процессах термического разложения, горения, взрыва, детонации. При рассмотрении процесса горения одним из основных параметров его характеризующих является скорость распространения пламени. Технологические процессы, параметры в которых изменяются во времени называют нестационарными. Нестационарности как фактору, характеризующему технологический процесс, физиками различных отраслей науки и техники уделяется всё большее внимание. Среди нестационарных процессов, в которых параметры изменяются по апериодическому закону, следует выделить режимы пуско-останова оборудования, маневровые режимы, которые по сути своей являются процессами горения в устройствах и аппаратах для производства энергии либо работы. Перед розжигом в технологический аппарат организуется подача рабочего тела (газ или жидкость), характеризующегося гидрогазодинамикой потока, на течение которого и накладывается быстротечный процесс, сопровождаемый нестационарностью, температурной неоднородностью, продольным градиентом давления и т. д.

Нестационарность приводит к существенному отклонению параметров течения и теплообмена и может существенно изменить протекание динамических, тепловых, массообменных и химических процессов. Не учет таких возмущающих факторов в ряде случаев приводит к существенным ошибкам при конструировании, выборе режимов функционирования и разработке систем контроля и автоматического регулирования. Энергетические установки содержат в своей конструкции большое количество осесимметричных каналов различной длины и конфигурации, представляющие собой подводящие и отводящие трубопроводы, сопловые блоки и жаровые патрубки, камеры сгорания различных двигателей,

проточные элементы ГТУ, компрессоров и т. п. Работа названных устройств протекает в сложных термогазодинамических условиях, обусловленных наличием различных возмущающих факторов, переменностью во времени тепловых и кинематических параметров, взаимосвязанных условиями технологического процесса. Знание механизма протекания нестационарных процессов, умение надежно прогнозировать структуру, рассчитывать гидравлические потери и теплоотдачу необходимы как при проектировании энергетических установок, так и при разработке надежных систем контроля и автоматического управления.

Указанные обстоятельства определяют актуальность проведения систематических исследований влияния данных факторов на гидромеханические и тепломассообменые процессы. Поэтому изучение нестационарного теплообмена и гидромеханики при турбулентных режимах течения газообразных сред в условиях совместного воздействия на поток тепловой и динамической нестационарности, неизотермичности, продольного градиента давления в зоне формирования пограничных слоев при больших температурных напорах и разработка методик их расчета представляют актуальную прикладную задачу.

Цель работы. 1. Провести математическое моделирование нестационарного турбулентного течения с теплообменом в осесимметричном конфузорном канале с предвключенным начальным участком цилиндрической трубы при резком возрастании: 1) температурного напора, 2) расхода рабочего тела при постоянстве его температуры.

2. Выполнить численный анализ влияния тепловой и динамической нестационарности, неизотермичности, отрицательного продольного градиента давления на характеристики турбулентного пограничного слоя и проверить на адекватность разработанный метод расчета.

3. Провести комплексное экспериментальное исследование по изучению влияния совместного воздействия тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности на параметры потока и коэффициенты трения и теплоотдачи при различной интенсивности

увеличения температуры рабочего тела и постоянстве его массового расхода на начальном участке цилиндрического канала, для чего:

— подготовить опытный участок, средства измерения и регистрации для выполнения экспериментальных исследований в нестационарных режимах и отработать соответствующие методики, алгоритмы и программы проведения предварительных и основных экспериментов и обработки результатов измерений;

— выполнить анализ влияния каждого из дестабилизирующих факторов на характеристики динамического и теплового турбулентного пограничного слоя и на течение и теплоотдачу в целом;

— выявить закономерности и определить величины изменения параметров течения и теплоотдачи при воздействии перечисленных дестабилизирующих факторов.

Научная новизна. Выполнено исследование нестационарного неизотермического турбулентного течения газа с теплообменом в осесимметричном канале. В результате проведенного аналитического исследования получена новая информация о влиянии тепловой и динамической нестационарности, неизотермичности, продольного градиента давления на характеристики трения и теплоотдачи в зоне формирования пограничных слоев. Проведенные обобщения известных и полученных автором данных позволили разработать инженерный метод расчета течения и теплообмена в указанных условиях. Впервые приводятся аналитические выражения для границ, ограничивающих область применения интегрального метода расчета в функции обобщающего параметра трения, аккумулирующего воздействие различных дестабилизирующих факторов.

Проведено комплексное исследование развития нестационарного неизотермического течения и теплоотдачи газового потока на начальном участке цилиндрического канала при различных режимах резкого увеличения температуры рабочего тела и постоянстве его массового расхода. Получена новая экспериментальная информация о совместном влиянии тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности на коэффициенты

трения и теплоотдачи и параметры потока в зоне формирования пограничных слоев, а именно, экспериментально установлено 2-х — 3-х кратное увеличение коэффициентов трения и теплоотдачи, вызванное влиянием нестационарности при увеличении температуры газового потока, а также впервые зафиксировано, что в пусковых режимах энергетических установок увеличение скорости изменения температуры рабочего тела более 3000° Юс приводит к снижению интенсивности теплоотдачи.

Экспериментально установлено 2-х - 3-х кратное увеличение коэффициентов трения и 2-х — 3-х кратное уменьшение коэффициентов теплоотдачи, вызванное влиянием нестационарности при резком увеличении температуры газового потока и температурном напоре более 700 К, а также впервые явление ламинаризации теплового турбулентного пограничного слоя (ТПС) зафиксировано при тепловом потоке, направленном от рабочего тела к обтекаемой поверхности.

На защиту выносятся: — методика расчета, результаты численного исследования нестационарного неизотермического течения и теплоотдачи в конфузоре с предвключенным начальным участком цилиндрической трубы в условиях: 1) резкого возрастания температурных напоров; и 2) резком изменении расхода рабочего тела;

— экспериментальные результаты по влиянию тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности, обусловленные резким увеличением температуры рабочего тела при его постоянном массовом расходе, на трение и теплоотдачу при течении газового потока на начальном участке цилиндрического. канала; методики проведения отладочных и основных экспериментов и алгоритмы измерений и обработки их результатов.

Практическая значимость. Разработанная методика расчета внутренней структуры течений при совместном воздействии рассматриваемых дестабилизирующих факторов и больших температурных напорах, а также при изменении расхода рабочего тела может быть использована при конструировании и выборе оптимальных режимов работы сложных технологических систем и энергетических установок. Впервые приводятся

аналитические выражения для границ области применения интегрального метода расчета в функции обобщающего параметра трения, аккумулирующего действие различных дестабилизирующих факторов.

Проведенные экспериментальные исследования трения и теплоотдачи в условиях тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности позволили выявить ряд новых особенностей протекания указанных процессов в сложной термогазодинамической ситуации в зоне формирования пограничных слоев. Впервые установлено, что в пусковых режимах энергетических установок увеличение скорости изменения температуры рабочего тела более 3000 Юс. приводит к снижению интенсивности теплоотдачи. Явление ламинаризации теплового турбулентного пограничного слоя впервые зафиксировано в пусковом режиме энергетической установки при тепловом потоке, направленном от рабочего тела к обтекаемой поверхности. Предложен параметр, определяющий границы действия эффекта ламинаризации, и определены его граничные значения. Результаты исследований могут быть использованы для определения параметров теплоотдачи и сопротивления трения при проектировании и расчете проточных частей и выборе оптимальных режимов работы энергетических установок и сложных технологических систем в нестационарных условиях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на ХУ, ХУ1, ХУ111, XIX, XX, XXII и XXI11 всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля .природной среды, веществ,-материалов и изделий» в г. Казани, 2003, 2004, 2006 - 2008, 2010, 2011 г.г., на межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства» в г. Нижнекамске, 2004 г., на IX международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов» в г. Пензе, 2004 г., на 2-ой всероссийской научно-практической

конференции «Актуальные проблемы энергетики.

Энергоресурсосбережение» в г. Самаре, 2004 г., на научно-практической конференции «Современное состояние процессов переработки нефти» в г. Уфе, 2004 г., на международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» в г. Барнауле, 2004 г., на международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование. Экологически безопасные производства» в г. Иванове, 2004 г., на VIII всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» в г. Пензе, 2004 г., на международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» в г. Ульяновске, 2004 г., на III международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» в г. Пензе, 2005 г., на научных сессиях КГТУ 2006 - 2009 г., на национальной конференции по теплоэнергетике НКТЭ-2006 в г. Казани, 2006 г., на V международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» в г. Пензе, 2007 г., на международной научно-технической конференции «ЭНЕРГЕТИКА-2008: инновации, решения, перспективы» в г. Казани, 2008 г., на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» «XV Бенардосовские чтения» в г. Иванове, 2009 г., на международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту» в г. Самаре, 2009 г, на IX международной научной конференции «Теоретические основы энергоресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» в г. Иванове, 2010 г., на VII международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» в г. Пензе, 2011 г., на XXI международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» в г. Пензе, 2011 г., на XV международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» в г. Пензе, 2011 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 95 работ, в том числе 24 статьи в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК, 6

монографий. Отдельные разделы диссертации докладывались и обсуждались на 28 международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах.

Личный вклад автора. Разработан интегральный метод расчета теплофизических параметров рабочего тела при нестационарных (пусковых или маневровых) режимах функционирования энергетических установок, вызванных изменением температуры или расхода рабочего тела. В результате численного анализа выявлен характер влияния на параметры течения и теплоотдачи тепловой и динамической нестационарности, неизотермичности, отрицательного продольного градиента давления раздельно и в различных сочетаниях, а также их взаимовлияние. Получены аналитические выражения для границ области применения интегрального метода расчета в функции обобщающего параметра трения, аккумулирующего воздействие различных дестабилизирующих факторов. Полученные результаты экспериментальных исследований трения и теплоотдачи в условиях тепловой и динамической нестационарности, при больших температурных напорах в зоне формирования пограничных слоев при одновременном воздействии дестабилизирующих факторов на коэффициенты переноса позволили зафиксировать два новых явления, для которых определены границы и предложены параметры их характеризующие. Автор является руководителем 5 защищенных и утвержденных ВАК кандидатских диссертационных работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор темы исследования, показана актуальность проблемы, кратко сформулированы задачи исследования, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены нестационарные режимы работы ракетных двигателей и их особенности, проявляющиеся при пуско-останове, маневровых процедурах, при выводе средствами автоматизации на оптимальные режимные параметры и т. п. Рассмотрены работы, посвященные исследованию теплообмена и трения в нестационарных

условиях, при этом обнаружено существенное отличие реальных коэффициентов теплоотдачи и трения от соответствующих квазистационарных аналогов. Большие положительные градиенты скорости при достаточно длительном воздействии формируют явление ламинаризации ТПС, что приводит к резким и существенным изменениям коэффициентов трения и теплоотдачи. Проведенный анализ работ по исследованию влияния различных видов нестационарности, а также неизотермичности на коэффициенты трения и теплоотдачи показал, что мало изученными являются вопросы, связанные с совместным влиянием неизотермичности, тепловой и динамической нестационарности при турбулентных режимах течения на начальном участке осесимметричных каналов переменного радиуса. При выборе методов исследования нестационарных процессов предпочтение следует отдавать параметрическим методам, которые более эффективны и позволяют непосредственно оценивать воздействие градиентов температур и скоростей на коэффициенты теплоотдачи и трения. Из рассмотрения работ по диагностике нестационарных процессов следует, что при определении коэффициентов поверхностного трения предпочтительными являются косвенные методы измерения, в основу которых положено линейное распределение скорости в непосредственной близости от стенки.

Во второй главе на основе параметрических методов теории пограничного слоя приводится математическая модель развития динамического и теплового ТПС на начальном участке осесимметричного канала в условиях одновременного, воздействия на поток тепловой и динамической нестационарности, неизотермичности, продольного градиента давления. В рамках двухслойной модели турбулентного пограничного слоя выражения для законов трения и теплоотдачи представлены в виде

(1)

Параметры на границе вязкого динамического и теплового подслоя получены по методике Кутателадзе С.С. и Леонтьева А.И.

" 5" 2 Л "2

L =11.6

ReT

St- Pr 1 +

я1 ■ ^i,

Re"-Pr-5„

(3)

(4)

(5)

(6)

Распределение плотности рабочего тела по толщине пограничного слоя учитывалось интегралом Крокко. Выражения для обобщающих параметров трения и теплоотдачи

28 1 8w„ 28 1 dw„

С r К dt

s. afa-Q

Cr W0 üt

_8

: z + X.--

dhl

—— - 5/1 z 'X 5* •

"stw^fe-Aj dt ЩХК-К)& * /■„ ■

(7)

(8)

характеризующих воздействие динамической и тепловой нестационарности, продольного градиента давления и эволюции толщин пограничных слоев, определялись из уравнения движения и энергии, записанных для границ динамического и теплового ТПС. Знак т^ и ql определял выбор различных форм аппроксимаций распределения т(Д) и входящих в (1) и (2). При

т'к >- 0 и q[ >- 0 использовался интерполяционный полином Федяевского К.К., а при т^Ои^-^О- Фафурина A.B. с учетом реальных граничных условий. Выражения для профилей скоростей и энтальпий получены из (1) и (2) заменой нижних пределов интегрирования. Результаты расчета по исследованию влияния обобщающего параметра трения, числа Re" и неизотермичности на относительный коэффициент трения приведены на рис. 1 и 2, влияния обобщающих параметров трения и теплоотдачи на относительный коэффициент теплоотдачи на рис. 3.

Рис. 1. Влияние числа Ке" и^ Рис.2. Зависимость относительного

обобщающего параметра трения т^ на коэффициента трения от фактора

относительный коэффициент трения в неизотермичности в ускоренных и замедленных

изотермических условиях при = 1,0 потоках при Яе** = 103

В области положительных значений т'„ относительный коэффициент трения Ч^ меньше своего стандартного аналога, а при т'„4 0 - больше. Эволюция проявляется глубже при меньших числах Яе". В интервале ф,, -< 1 функция возрастает. Данная ситуация соответствует случаю, когда тепловой поток направлен от теплоносителя к более холодной стенке. При ф,, >-1 наблюдается обратная ситуация. Относительный коэффициент теплоотдачи меньше единицы в области положительных значений , когда гидродинамические эффекты отсутствуют, т. е. при = 0. При отрицательных значениях наблюдается рост относительно

стандартного значения. Параметр трения воздействует на Ч*а обратным образом. Различные сочетания параметров т'„ и (Ц, естественно, могут изменить ситуацию в ту или иную сторону. Развитие нестационарного ТПС в осесимметричном канале описывается интегральными уравнениями движения, неразрывности и энергии. При постоянном массовом расходе газа на входе в канал рассматриваются случаи интенсивного роста и постоянства температурного напора, сопровождающиеся эффектами тепловой и

динамической нестационарности, которые обусловлены переменностью во времени температуры рабочего тела и обтекаемой поверхности. Эти уравнения записываются в виде

Л Р йХ~ Е <Ш0 _ Ж ' <ЗХ ~ Е

где

О = Яе"й

2г01 дН

2г„ Же"

м>„. д!¥п 0 ж, дЖ„ '

(9)

С,

Яе". IV, + Яе"- Н ■ 1Г0 - • 2 ■ гв ] Ц

О 11е" ЬЖ-КВ

дЖ А'В + НгЖ'

Яе, _2 _ .. _ дН 4 0

К = Яе" + Це" Нг0 + Яе" 1Г„г0 -М- -

д1¥0 4

В= Яе"Н

Яе,

&Г 4 0 ^ р01 8( ЦГ0 д1

эх

: -ИеГ

Яе,

1 ,д 1 Щ

Ъ-Кдх"10 Пю)г0дХ

+

1 д _ _ г0,

+ ~Г*-ТГя7ЛоРоП)о-Ив!

Л0 - hwдt иги и 2и'0

(И)

(10)

В третьей главе решение системы уравнений (9) -г- (11) выполнено с привлечением законов трения и теплоотдачи (1) и (2). Результаты численного исследования представлены в диссертационной работе в виде пространственно-временных разверток. Характер поведения обобщающего

параметра трения показан на рис. 4. В квазиизотермических условиях, пока скорости еще относительно малы, обобщающий параметр трения X имеет такие максимальные значения, при которых поток не в состоянии справиться с внешними возмущениями.

Рис.3. Зависимость относительного коэффиг/иента теплоотдачи от обобщающих параметров трения и теплоотдачи с/1 при Яе" = = 103

времени

Рис. 5. Эволюция числа 11е" по длине рис_ б. Эволюция коэффициента трения

опытного участка и во времени. Линии — £

расчет. Точки - эксперимент: • - ? = 0; ° - ~~~ по длине опытного участка и во

I = 0,04; ° -1 = 0,2 ' 2

времени. Линии - расчет. 1очки -

эксперимент: • —Х= 2,5; п -Х= 7,5;

о -Х= 10,5

С удалением от входа в конфузор скорость, а, следовательно, и число Рейнольдса, построенное по среднерасходной скорости, возрастают. Поток становится более устойчивым к внешним возмущениям, он подавляет влияние обобщающего параметра трения, что и приводит к дальнейшему слабому увеличению числа Рейнольдса Ке" и толщины пограничного слоя. На рис. 5-8 представлена информация об изменении во времени и по длине опытного участка коэффициентов трения Сг и теплоотдачи 5. и чисел

Рейнольдса Яе" и Яе" при выполнении расчета краевые условия приведены к краевым условиям эксперимента. Наблюдается удовлетворительное согласование расчета и результатов экспериментальных исследований.

Рис. 7. Эволюция коэффициента теплоотдачи по длине опытного участка и во времени. Линии - расчет. Точки - эксперимент: о -Х = 10,5; • -Х= 7,5; о — X = 2,5

Рис. 8. Эволюция числа Яс" по длине опытного участка и во времени. Линии - расчет. Точки -эксперимент: ° — X = 10,5; • -Х= 7.5; о -X = 2,5

1,4 1Д 1,0 0,8 0,6 0,4

^¿л V

- 2'

Ч7-

• 1

-10

1.04

1.0

0,8

0,6

У * ^ -- --

_ _ . __-

— — - . —■ -

Рис. 9. Влияние динамической нестационарности и неизотермичности на относительный коэффициент трения Ч^ при

различных числах Яе". Линии - расчет: 1, 2, 3 - фА = 1; 1',2', 3' - фй = 0,25. 1,1' - Яе" = 500; 2, 2' - Яе" = 2000; 3, 3' - Яе" = 4000. Точки — эксперимент

-Ю

■Рис. 10. Влияние динамической нестационарности и неизотермичности

на относительный коэффициент теплоотдачи . Линии - расчет при

11е* =1000: 1,1'-Яе" =500;

1,2,3-ф„=1; 2,2'-Яе" =1000;

1',2',3'-ф„ =0,25; 3,3'= 3000

В замедленных течениях (гп у 0) увеличение с одновременным уменьшением <в, приводит к уменьшению градиента скорости в пристенной области и касательных напряжений трения что влечет за собой

уменьшение С/ (рис. 6), в ускоренных потоках наблюдается увеличение величины местного коэффициента трения и при го=-10 прирост Ч^ может достигать 15-30 % (в изотермических условиях). Эволюция параметров на границе вязкого подслоя под воздействием неизотермичности является причиной увеличения относительного коэффициента трения Ч^ (рис. 9).

Рис. 11. Влияние угла сужения конфузора на эволюцию параметра продольного градиента давления X при Яе = 14000 Динамическая нестационарность является причиной снижения теплоотдачи (рис. 10). Влияние нестационарности на интенсивность теплоотдачи усиливается с. увеличением характерного числа Яе". В неизотермических условиях наблюдается увеличение интенсивности теплоотдачи, которое в ускоренных потоках может достигать 20 - 25 %.

Воздействие продольного градиента давления X (рис. 11) характеризуется совокупностью двух воздействий: гидромеханического и геометрического. В ускоренных потоках в целом значение параметра продольного градиента давления будет отрицательным в силу превалирующего влияния геометрического воздействия. На рис. 12 приведены результаты расчета относительного коэффициента трения ^ в функции параметра продольного градиента давления Л.. Воздействие продольного градиента давления

-X

10

о

15

проявляется сильнее при меньших числах Яе", что согласуется с теорией устойчивости движущейся среды. Удовлетворительное согласование с экспериментальными данными ряда авторов подтверждают работоспособность математической модели и метода расчета. В случае одноименного действия Х0 и ъа в силу возрастания по модулю величин параметров нестационарности и продольного градиента давления наблюдается увеличение по модулю и величины обобщающего параметра трения т'. (рис. 13).

Рис. 12. Относительный коэффициент трения в функции параметра продольного градиента давления и числа Re". Линии-расчет. Точки эксперимент • - Репик Е. У., Кузенков В.К., ° — Марков С.Б., * — Kline S. Y.,

Reynolds W.C. и др.

Рис. 13. Эволюция обобщающего параметра трения и параметра продольного градиента давления X по длине конфузора и во времени. Линии

конфузора и во времени в изотермических и неизотермических течениях. Линии— фА = 1,--(К =0,25

длине конфузора и во времени в изотермических и неизотермических течениях. Линии- ф4 = 1,— фй = 0,25

На незначительном расстоянии от входа в конфузор отмечается увеличение величин интегральных характеристик, характерного числа Ке" и относительного коэффициента трения (рис. 14), что связано с

перестройкой течения под влиянием изменения геометрии канала. Воздействие динамической нестационарности в условиях действия отрицательного продольного градиента давления приводит к более быстрому снижению интенсивности теплоотдачи, чем под влиянием каждого фактора по отдельности (рис. 15). Обобщающие параметры трения и теплоотдачи аккумулируют в себе различные сочетания воздействия рассмотренных дестабилизирующих факторов. Учет влияния этих факторов возможен путем введения соответствующих функций в выражение для коэффициента трения

£/. = ££.4^ (12)

2 2

и коэффициента теплоотдачи

81 = 810Ч'„Ч'Г(. (13)

В четвертой главе описываются экспериментальная установка, опытный участок, диагностическое оборудование, методики подготовки и проведения экспериментов, обработки опытных данных, дана характеристика эксперимента, проведена оценка точности измерений.

Экспериментальная установка (рис. 16) - это аэродинамический контур разомкнутого типа. Рабочее тело перед входом в опытный участок подогревается плазмотроном 1. Воздух от компрессора подается в ресивер и далее через фильтры грубой и тонкой очистки 12 и 13, запорный кран 11, расходомер 8 и регулировочный кран 10 в плазмотрон. Из плазмотрона нагретый воздух через форкамеру 2 с соплом поступает в опытный участок 4. Форкамера конструктивно имеет радиальные отверстия, куда воздух поступает через регулировочный кран 10 для снижения рабочей температуры газа и обеспечения необходимого теплового диапазона исследуемых параметров. Для стабилизации дуги в плазмотрон из баллона через редуктор 11 и расходомер 8 подается аргон. Катод и анод плазмотрона изготовлены из меди М1 и установлены в корпус из органического стекла.

Измерения, проведенные в стационарных "условиях, показали, что равномерность профилей скоростей и температур на входе в опытный участок обеспечивается форкамерой 2, которая через электроизолирующую асбоцементную шайбу стыкуется с плазмотроном. На выходе из форкамеры установлено сопло, спрофилированное по кривой Витошинского, а внутри форкамеры — выравнивающие решетки. Все детали форкамеры и сопло изготовлены из нержавеющей стали Х18Н10Т.

Постоянный ток для питания плазмотрона преобразуется из переменного от трехфазной сети по схеме Ларионова на кремниевых вентилях высокой мощности ВК-200 при минимальном коэффициенте пульсаций. Включение и выключение плазмотрона в ручном и автоматическом режимах выполняет _реле времени типа Е-52 с диапазоном выдержки,0,1 -ь 12 секунд. Время работы плазмотрона не превышало 0,5 с.

Опытный участок представляет собой цилиндрическую трубу, собранную из взаимозаменяемых плотно стыкующихся между собой секций 4, выполненных из нержавеющей стали Х18Н9Т, внутренним диаметром I) = 0,045 м и длиной 0,045 м с толщиной стенки 8-10"5 м. При малой толщине стенок опытного участка можно считать равномерным распределение

температуры по толщине стенки, т. к. критерий Био для таких стенок много меньше единицы. В центре цилиндрических секций 4 опытного участка располагаются контрольные сечения и имеются устройства для отбора импульсов статического давления и для измерения пристеночных касательных напряжений трения по методу «трубка-выступ» [19, 20], а также хромель-копелевые микротермопары для измерения температуры стенок.

В нестационарном режиме течения, который обеспечивался включением плазмотрона, измерялись полное давление и температура потока на входе в опытный участок. По длине опытного участка в измерительных сечениях, располагавшихся в серединах соответствующих секций, измерялись температура стенки, статическое давление и пристеночные касательные напряжения трения. Массовый расход задавался постоянным в начале эксперимента. Температура измерялась ХА и ХК микротермопарами, а перепады давлений - малоинерционными индуктивными датчиками ДМИ-0,1 в комплекте с вторичной аппаратурой УГ-УМ. Датчики ДМИ-0,1-2 используются при измерении быстроменяющихся давлений от 0 до ±10 кПа с основной погрешностью не более ±3% и равномерной полосой пропускания до 600 Гц. УГ-УМ является одновременно блоком питания и преобразователем выходных сигналов ДМИ с равномерной полосой пропускания до 1000 Гц. От измерительных преобразователей сигналы поступали в компьютер PC через универсальные модули аналогового ввода ADAM 4019. Созданный на базе компьютера PC измерительно-вычислительный комплекс обеспечивал сбор в реальном масштабе времени и хранение поступающих от датчиков сигналов, которые в последствие обрабатывались по разработанному алгоритму и представлялись в необходимом виде.

Перед проведением экспериментов в нестационарных условиях были проведены отладочные эксперименты, в которых определялись профили скоростей и температур на входе в канал, выполнены испытания опытного участка на гидравлическую гладкость, исследовались динамические частотные характеристики систем отбора импульсов температуры и

давления. Коэффициенты искажения по измеренным профилям и'1ч,/и']т„ и составили не менее 0,97. В результате проведенных испытаний на гидравлическую гладкость опытного участка экспериментальные данные в диапазоне 11е = 104 ^ 105 описываются законом сопротивления Блазиуса X = 0,3164-Ке1"°'25. Такой опытный участок принято считать гидравлически гладким.

Исследования по динамической и статической градуировке каналов измерения температуры были проведены на специальной автоматизированной установке [17, 18]. Исследованию подвергались хромель-копелевые микротермопары диаметром 65Т0"3 м, 2-10"3 м, 8-10"5м, 65-Ю"6 м с открытым спаем. Эксперименты проводились при скоростях набегающего потока 5, 40, 80, 120 м/с. Зависимость постоянных времени термопар от скорости набегающего потока воздуха для различных диаметров термоэлектродных проводов показана на рис. 17. Нагляднее динамические характеристики микротермопар выражаются амплитудно-фазовыми характеристиками (АФХ). Результаты по исследованию АФХ приведены на рис. 18.

£ ,с

\

1 —1-

•...... ■ _1 ---ь——< 1 1 -1 —-—(

1 --(

0 0 40 80 120 „ £

Рис. 17. Зависимость постоянных времени микротермопар от скорости набегающего потока воздуха для различных диаметров термоэлектродных проводов [17], о-(1= 1-10^, о-с1=%-\О"5, •-(!= 6,5-10~5 В литературных источниках описаны разные типы корректирующих устройств, применение которых позволяет повысить динамический диапазон

первичных преобразователей без искажения статической характеристики канала измерения, а также исключить влияние наводок и высокочастотных помех. Автором в качестве корректирующего устройства применялось активное RC звено. Здесь для усиления и нормирования сигнала использовался операционный усилитель. Как показано на рис. 18 применение активного RC звена позволило повысить верхнюю частотную границу микротермопары до 100 + 150 Гц, при этом постоянная времени уменьшилась до 0,001 0,002 с. Градуировка датчиков трения «трубка-выступ» выполнена в координатах Престона.

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

_ _7Т_

4

_ 7Т_ 2

-V

Рис. 18. АФХпреобразователя давления (3), термопар скорректированной (2) и не корректированной (1) частотной характеристикой [17, 18]

Расчет погрешностей прямых и косвенных измерений показал, что среднеквадратичная погрешность в определении температуры составила 0,75%, скорости потока — 1,6%, коэффициента трения — 9,2%, коэффициента теплоотдачи — 9,5%.

В приведенной характеристике эксперимента описывается, что в работе рассмотрены три режима с массовым расходом рабочего тела G = 0,033 кг/с и начальным значением среднерасходного числа Рейнольдса — 51600, в которых различная максимальная температура рабочего тела (Т0 = 487, 701 и

1125 К) достигается с разной скоростью её изменения (рис. 19), от начального значения температуры 293 К.

К 1200]------ i l к I I

1000-----— —-------

i

SCO------------

600---"----------—

400------*--------

к

200------------

0-I-----------

0.000.050.100.150.20 0.250.300.35 0.400.45 0.50 f г Рис. 19. Изменение во времени температуры Т0 газа

В пятой главе проводится результаты экспериментальных исследований трения и теплоотдачи в неизотермическом нестационарном пограничном слое. С увеличением температуры Т0 рабочего тела в потенциальной области течения и изменением его физических свойств по аналогичному с Т0 закону увеличивается скорость Woi на входе в опытный участок. Временные градиенты температуры и скорости, являющиеся причиной тепловой и динамической нестационарности, достигали значений 3500, 6000 и 12000 К/с и 150, 350 и 800 м2/с. Таким образом в рассматриваемой термогазодинамической ситуации пограничный слой испытывает на себе воздействия тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности. С увеличением воздействия нестационарности величина коэффициента трения С/ увеличивается до максимума (/ = 0,04 с) при одновременном уменьшении числа Re**.

По мере снижения величины нестационарного воздействия уменьшается и величина коэффициента трения С/ при стабилизировавшемся значении числа Re"(pnc. 20). Для определения количественного влияния эффектов динамической нестационарности на коэффициент трения в интервале времени от 0 с до 0,13 с была построена аппроксимационная зависимость вида

= 1 - 0,635z - 0,0374(z)2. (14)

-2,0 -2,1 -2,2 -2,3 -2,4 -2,5 -2,6 -2,7

^ 3 л2

6 ш А65 ^ ш ♦ у ,7 6 >3 1 *2 1

-- 8 8 7 9 9 t8 * | J9 Л10 12 tl2 ♦ 1

--L А ▲---- 12 ———_

lg Re**

2,4 2,5 2,6 2,7 2,8

Рне. 20. Зависимость коэффициента трения от числа Рейнольдса Ее .

С П 012Я

Точки - эксперимент. Линия - расчет: = ' . Цифры означают

2 И-С

время: 0-0,00 с; 1-0,01 с; 12 -0,12 с

-2,5 -2,6 -2,7

Г

• о

lg Re*

2,50 2,60 2,70

Рнс. 21. Приведенный к стандартным условиям коэффициент трения

Рис. 22. Зависимость коэффициента трения с учетом влияния неизотермичности от числа Re** при Т0 = const

Учёт влияния динамической нестационарности и неизотермичности позволил сгруппировать экспериментальные точки около стандартной зависимости (рис. 21).

Временной интервал продолжительностью / = 0,15 ч- 0,5 с характеризуется постоянством величины температуры Т0 рабочего тела и интенсивностью прогрева стенок опытного участка dTJdt. Энтальпийный фактор изменяясь в функции времени, достигает минимальной величины в момент времени I = 0,3 с и далее в интервале / > 0,3 с увеличивается. Скорость м>0 в потенциальной области потока начиная с момента времени 0,3 с и до окончания временного интервала во всех режимах имеет постоянную величину. С учетом влияния неизотермичности экспериментальные точки на рис. 22 группируются около стандартной зависимости. Это позволяет констатировать, что в рассматриваемом временном интервале влияние на ' коэффициент трения не оказывают ни какие другие дестабилизирующие факторы.

Величины коэффициента теплоотдачи и числа Яс/,** уменьшаются от некоторого максимального значения вдоль лучей «А» (рис. 23), которые представляют собой аппроксимационную зависимость

!(ЯеГГ5 (15)

Ч> 1 ^

" •И'»2 81

1 с!(Щ Дй' А

и в интервале I > 0,12 с стабилизируется. Изначально резкое увеличение и Ле/,** вызвано тепловой нестационарностью, как первопричиной. Последующее снижение величины коэффициента теплоотдачи 81 и числа Не/,** обусловлено воздействием динамической нестационарности и Неизотермичности, ускоряющими поток с соответствующей перестройкой кинематической структуры и уменьшением интенсивности процессов турбулентного обмена.

1Е(3(-Рг"") -2,1 -2,2 -2,3 -2,4 -2,5 -2,6 -2,7

2 -

_А /■3

/ * /6 ■4

К-е**

2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1

Рис. 23. Зависимость коэффициента теплоотдачи от числа Ее/, для 1-го и 2-горежимов. Точки - эксперимент. Линия А-расчет по выражению (15).

п г о 0,0128

Линия Б - расчет: 510 = 07.

КеА ' гг

Введение в зависимость 81/=^>еГ) аппроксимационной функции (15), учитывающей влияние на коэффициент теплоотдачи эффектов нестационарности, и учет влияния неизотермичности позволяет сгруппировать опытные точки около стандартной зависимости (рис. 24) для 1-го и 2-го режимов.

Рис. 24. Приведенный к стандартным условиям коэффициент теплоотдачи

В третьем режиме опытные точки, мигрируя вдоль лучей «А», пересекают «стандартную» зависимость для турбулентных режимов течения (прямая «Т» на рис. 25) и устремляются вниз графика к прямой «Л», которая представляет собой «стандартную» зависимость для ламинарных режимов течения

Полученные результаты эксперимента аналогичны тем, которые имеют место в ускоренных потоках при проявлении эффектов «ламинаризации» ТПС. Оценка параметра ускорения * = ■= «„ + к,, проведенная по

дх и>(, д1

критериальному уравнению Нэш-Уэббера и Оутса

К, = 1,2-1 (Г> + 1,Ы (Г3 ■ Кс" +104 '(Ис )',

(17)

(81Рг" ") -2,2

-2,3

-2,4

-2,5

-2.6

-2,7

-2,8

....... А /л ♦ • ___ я

V» ж А Т

-5Х,

1ц Г<е»»

Рис. 25. Зависимость коэффициента теплоотдачи от числа Яе,**. Точки -эксперимент. Линия А - расчет по выражению (15). Линия Т-расчет:

0,0128

ЯеГ

Рг

Линия Л - расчет по выражению (16)

(16)

.—■- 5_____ 1 1 1 Область ламинаризации -

-

¿гл. ■

¿Г

-(■

■♦к;х=4,5

■ К; Х=6,5 А Кг; Х=4.5

■ Кт;Х=6.5 *Кн;Х=4,5 • Кя;Х=6,5

0,5

Рис. 26, Изменение во времени параметра ускорения и его слагаемых определяющему «границу» ламинаризации ТПС, показала, что в интервале времени 0,025 - 0,045 с величина параметра К достигает критической, либо превышает ее (рис. 26). Кроме того, коррелируется с литературными

данными характер и направление изменения чисел Re0i, Re , Re/, , коэффициентов Cf и St, диапазон изменения характерного числа Re" ~ 1000 400, величина положительного градиента скорости. Таким образом, в рассматриваемых условиях при температурном напоре до 900 К и энтальпийном факторе, изменяющемся от 1 до 0,25, протекают процессы характерные ламинаризированному ТПС.

Во временном интервале t = 0,15 -н 0,5 с при Т0 = const, dT0/dt = 0, постоянная по величине интенсивность прогрева стенок опытного участка dTJdt и, как следствие, аналогичный характер изменения во времени величины плотности теплового потока qw при уменьшающейся величине разности энтальпий за счет увеличения температуры Тк стенки определяют слабые изменения в величинах коэффициента теплоотдачи St и числа Re;,**.

Рис. 27. Зависимость St от числа Re" при Т0 = const для 1-го и 2-го режимов

В первом режиме величина относительного коэффициента теплоотдачи у > 1,0 на 11 - 13 % , во втором на 2 - 3 % меньше 1,0, а в третьем меньше

1,0 на 38 - 39 %. Параметр S аналогии Рейнольдса в первом режиме на 15 % больше 1,0, во втором равен 1,0, а в третьем равен 0,67. Из сказанного можно констатировать, что увеличение скорости изменения температуры рабочего тела приводит к снижению интенсивности теплоотдачи. На рис. 27 показана зависимость St от числа яеГ- Учет влияния неизотермичности позволяет все экспериментальные точки сгруппировать около «стандартной» зависимости в пределах + 10 %. Однако, правая группа точек, соответствующая первому

режиму, располагается несколько выше чем левая, что также свидетельствует о снижении интенсивности теплоотдачи при увеличении скорости изменения температуры рабочего тела. Анализируя изменение во времени величины производной ¿/Го/Л, можно констатировать, что при увеличении скорости изменения температуры рабочего тела более 3000 К/с происходит снижение интенсивности теплоотдачи.

В третьем режиме в интервале времени К 0,3 с после резкого увеличения То теплоносителя и по достижению последней постоянной величины формируются условия для ламинаризации ТПС. На рис. 25 видно, что экспериментальные точки группируются около прямой «Л» для ламинарных режимов течения, хотя число Ые, построенное по среднерасходной скорости составляет величину 18800, и определяет режим движения рабочей среды турбулентным. В этом интервале времени параметры течения и теплообмена, включая скорость изменения температуры стенки, имеют практически постоянную величину. Значения коэффициента теплоотдачи определялись по выражению

81=-Ц--(18)

р^ЛК-Ю

В рассматриваемой термогазодинамической обстановке параметр ускорения К никак ее не характеризует. Здесь причиной ламинаризации теплового ТПС является неизотермичность, а параметром ламинаризации должен выступать энтальпийный фактор ф, или температурный напор АТ = Т0 - Тж. Наблюдения за изменением величины температурного напора при продлении времени работы плазмотрона или после его отключения позволили определить границы области ламинаризации {АТ = 700 К и более) и переходной зоны (АТ = 335 к ^ 425 К), когда поток переходит из одного режима течения в другой. Таким образом, в пусковом режиме энергетической установки при тепловом потоке, направленном от теплоносителя к обтекаемой поверхности, впервые зафиксирована ламинаризация теплового ТПС и определены границы ее проявления.

В шестой главе определены границы применения математической модели нестационарного неизотермического турбулентного течения несжимаемого газа в осесимметричных каналах. Известно, что при торможении потока, например, в диффузорах происходит отрыв пограничного слоя. Запишем величину параметра трения в виде

В точке отрыва величина % стремится к нулю и %0 Хо,Р • В рассматриваемом случае нестационарного течения отрыв потока может произойти не за счет пространственного изменения характера течения обтекаемой поверхности, а в результате временных его эволюций. Интегрируя выражение для относительного коэффициента трения с учетом распределения касательных напряжений по толщине пограничного слоя и разрешая полученный результат относительно Хт, ПРИ о, находим

гп

о

(19)

т* =2

2х(1-<у)

(20),

где

(21)

(22)

+ (25)

X" 2

(23)

(24)

д„

2

2 1 + -,

(26)

Решая (20) - (26), получим критическую величину параметра трения. Результаты решения аппроксимированы в виде логарифмической зависимости для случая ср,,=1 и Яе**> 500 (рис. 28).

(27)

(28)

ХОч,=23,21М1е**-50,34, т -

Ир

—- -

/ /

Рис. 28. Зависимость критического параметра трения в функции числа Яе

При сильном ускорение потока, возникающем при изменении геометрии обтекаемой поверхности или увеличении во времени скорости потока или его температуры формируется явление ламинаризации ТПС. Количественная оценка границ явления ламинаризации чаще выполняется по величине

который иногда записывают в

V дм)

параметра ускорения к = - -V • —

И>- дх

видел' = у 5Р Используя уравнение движения, записанное для области

Рои'о дх

потенциального ядра, приведем параметр К к виду

и»" дх

V СИ',,

(29)

Из выражения (29) следует, что причиной ламинаризации ТПС может являться не только пространственное ускорение, но и временное -нестационарность. С другой стороны, обобщающий параметр трения

учитывающий влияние продольного градиента давления х и влияние динамической нестационарности г, имеет вид

=•'_•>, 25 1 дч>а 25 1 дм>„

Т м, — А + —--------—

С/ w„ Эх сг Э/ ^

В правых половинах выражений (29 и 30) присутствуют похожие слагаемые. Перепишем (29) в виде

И'о , Сг ~гГ~ 25

или

v С

1 Cf

5w0 2

(32)

где Re5 - Таким образом, параметр ускорения К является функцией обобщающего параметра трения xw, числа Re5 и коэффициента трения Q. С позиций параметрической теории ТПС обобщающий параметр трения xw является обобщающей функцией, позволяющей учитывать воздействие различных дестабилизирующих факторов (нестационарность, продольный градиент давления и др.) через соответствующие факторам параметры.

Переходя от параметра К к параметру xw, имеем

К Re5

—

cfn

(33)

Рис. 29. Зависимость относительного коэффициента трения т, от обобщающего параметра трения ?„ы характерного числа Ке**

Подставляя в (33) значения критической величины К, получим границу области ламинаризации ТПС на поверхности ¥ = ^ =/(tw, Res). Из

проведенного анализа следует, что параметр ускорения К является характеристикой динамического пограничного слоя и обозначим его через

■^ДИН'

На рис. 29 показана зависимость относительного коэффициента трения ч^ от обобщающего параметра трения ?,и характерного числа Re**, где нанесены условные границы области отрыва ТПС и области ламинаризации ТПС, определяющиеся по выражениям (20) и (33).

Подводя итог, следует отметить, что приведенная во 2-ой и 3-ей главах математическая модель адекватно описывает нестационарное неизотермическое течение с теплоотдачей несжимаемого газа в осесимметричных каналах в пределах, которые определяются явлением отрыва ТПС при замедлении потока и явлением ламинаризации при ускорении потока. Для определения границ применимости данной математической модели приводятся соответствующие выражения, констатирующие одно (20) либо другое (33) явления.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель нестационарного неизотермического турбулентного течения несжимаемого газа в осесимметричных каналах постоянного и переменного радиуса, которая позволяет учитывать влияние на параметры течения тепловой и динамической нестационарности, неизотермичности, продольного градиента давления, а также совместное влияние вышеперечисленных дестабилизирующих факторов. Впервые приводятся аналитические выражения для границ применения интегрального метода расчета в функции обобщающего параметра трения, аккумулирующего воздействие различных дестабилизирующих факторов.

2. Проведенный численный эксперимент позволил установить, что по достижению температурой в потенциальной области течения постоянной величины, скорость потока на оси увеличивается в три раза, а относительная скорость при этом уменьшается на половину своей величины, относительная толщина пограничного слоя и величина обобщающего параметра трения уменьшаются почти 3 раза, а величина характерного числа Рейнольдса на 40 % при увеличении пристеночных касательных напряжений трения в 4 раза.

При увеличении расхода рабочего тела по экспоненциальному закону уровень и характер изменения относительной скорости на оси щ, и числа в целом определяется законом изменения расхода во времени, однако превалирующее влияние на эволюцию параметров течения оказывает отрицательный продольный градиент давления. Совместное влияние динамической нестационарности вследствие увеличения расхода и существенной неизотермичности приводит к уменьшению относительной скорости на оси щ, на 10 12 %, увеличению относительного коэффициента трения чъ на 10% и незначительному (» 5%) увеличению интенсивности теплоотдачи по сравнению с изотермическим течением при прочих равных условиях. Анализ сопоставления данных численных исследований с экспериментальными, а также с результатами экспериментальных исследований других авторов свидетельствует об их удовлетворительной сходимости, что позволяет рекомендовать предложенный метод расчета в практику инженерных расчетов с учетом границ применения.

3. Проведенные экспериментальные исследования при резком увеличении температуры Т0 рабочего тела показали, что одновременно формирующиеся эффекты тепловой и динамической нестационарности, воздействуя на поток, ускоряют его, что приводит к 2-х 3-х кратному увеличению пристеночных касательных напряжений трения т„, коэффициентов трения С/ и теплоотдачи

Ускорение потока, обусловленное более резким увеличением температурного напора до 900 К, приводит к 2-х 3-х кратному увеличению пристеночных касательных напряжений т„,, коэффициентов трения С/ и

теплоотдачи и последующему 2-х ^ 3-х кратному уменьшению коэффициентов теплоотдачи 81. Максимальные значения величины пристеночных касательных напряжений трения ти, и коэффициентов трения С/ принимают при максимальных значениях производных с!Тт / dt ,<ь*„ /л . Во временном интервале воздействия на поток эффектов нестационарности результаты экспериментов аппроксимированы зависимостями вида

=1-0,635--0,0374(_)а и 4« =-1^

* rf а

1 d(6h)

(R i'T

м dt

4. В интервале увеличения температуры Т0 рабочего тела при максимальных значениях производных dTm / dt ,dwj dt влияние неизотермичности оценивается не более 5 %. С достижением температурой Т0 теплоносителя постоянной величины энтальпийный фактор уменьшается до значений 0,62 (1-ый режим) и 0,44 (2-ой режим). В этом временном интервале влияние неизотермичности возрастает до 10 % в 1-ом режиме и до 20 % - во втором. В третьем режиме в интервале времени t > 0,1 с и диапазоне изменения величины энтальпийного фактора 0,25 0,35 при Т0 ~ const влияние неизотермичности на коэффициенты трения и теплоотдачи не превышало ~ 20%.

Во временном интервале с постоянством температуры Т0 рабочего тела величина относительного коэффициента трения снижается в 1-ом и 2-ом режимах, а в третьем принимает постоянную величину. Величина относительного коэффициента теплоотдачи в первом режиме увеличивается, а во втором и третьем не изменяется. Причем, если в первом режиме -величина относительного коэффициента теплоотдачи > 1,0 на 11 - 13 %, во втором на 2 - 3 % меньше 1,0, то в третьем меньше 1,0 на 38 - 39 %. Параметр S аналогии Рейнольдса в первом режиме на 15 % больше 1,0, во втором равен 1,0, а в третьем равен 0,67. Из сказанного следует, что с увеличением скорости изменения температуры теплоносителя интенсивность теплоотдачи снижается.

5. Проведенные экспериментальные исследования показали, что в пусковых режимах энергетических установок увеличение скорости

изменения температуры рабочего тела приводит к снижению интенсивности теплоотдачи. Впервые зафиксировано, что при увеличении величины производной оТ,,, / Л температуры рабочего тела более 3000 ЛУс происходит

снижение интенсивности теплоотдачи.

В пусковых режимах энергетических установок в условиях температурных напоров более 700 К происходит ламинаризация теплового турбулентного пограничного слоя. Впервые явление ламинаризации теплового турбулентного пограничного слоя зафиксировано при тепловом потоке, направленном от рабочего тела к обтекаемой поверхности. В качестве параметра ламинаризации, определяющего границы действия этого эффекта, предлагается использовать величину температурного напора АТ = Т0 - Ту, или температурного фактора ф „ = ^ ■ С учетом работы Куна и

т0

Перкинса* можно констатировать, что температурный напор является причиной ламинаризации ТПС независимо от направления теплового потока. В рассматриваемой автором ситуации, в том числе, и при ламинаризации теплового ТПС коэффициент трения С/ консервативен к происходящему и его величина с учетом влияния фактора неизотермичности определяется стандартной зависимостью для турбулентных режимов течения. 6. При констатации факта явления ламинаризации следует акцентировать где это явление имеет место быть - в динамическом или тепловом пограничном слое с введением соответствующего обозначения для параметра ускорения, а именно - /<"ди„ или Ктепл. Определяя границы явления ламинаризации и говоря о параметре ламинаризации, следует уделить соответствующее внимание причинам его сформировавшим и исходя из этого с учетом параметрической теории ТПС принять тот либо иной параметр и его величину. Если ламинаризация ТПС произошла за счет изменения геометрии обтекаемого тела (т. е. продольный градиент давления), то параметр ускорения К, если при отсосе газа из пограничного слоя, то соответственно соответствующий параметр отсоса (или вдува), если неизотермичность, то температурный фактор (или температурный напор) и т. д.

Условные обозначения

г0 - радиус канала; р - плотность; X, £,= у / 5 - безразмерные продольная и поперечная координаты; I - время; - скорость; т - касательное напряжение; 9 - удельный тепловой поток; С/ - коэффициент трения; Не, 81, Рг - числа Рейнольдса, Стантона и Прандтля; Ж0 = / >-гоь ш = и-, / и-а - относительные скорости; 5, 5*, 8** - толщины пограничного слоя; Н = б* / б" -формпараметр; /г - энтальпия; Т - температура; V -кинематический коэффициент вязкости; г, X - параметры динамической и тепловой нестационарности, продольного градиента давления. Индексы: 0 - внешняя граница пограничного слоя, «стандартные» условия; 1 - вход, граница вязкого подслоя; уу - стенка; Ъ - тепловые параметры; г - параметры, учитывающие влияние нестационарности.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Володин Ю.Г. О влиянии нестационарноти, продольного градиента давления и неизотермичности на коэффициент трения / Ю.Г. Володин, К.С. Федоров, О.П. Марфина // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. - 2006 - № 1 -

2.-С. 36-39.

2. Володин Ю.Г. Аналитическое исследование отрыва турбулентного пограничного слоя в нестационарных условиях / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, А.Н. Богданов, Р.Н. Галиев // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2006 - № 3 - 4. - С. 23 - 28.

3. Володин Ю.Г. Нестационарные эффекты и трение при запуске энергетических установок / Ю.Г. Володин, К.С. Федоров, М.В. Яковлев // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. - 2006. - № 1. - С. 34 - 36.

4. Володин Ю.Г. Нестационарные эффекты и теплообмен в пусковом режиме энергетических установок / Ю.Г. Володин, К.С. Федоров, М.В. Яковлев // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. - 2006. -№ 4. - С. 41 - 43.

5. Володин Ю.Г. Теплообмен при пуске энергоустановок / Ю.Г. Володин, К.С. Федоров, М.В. Яковлев // Двигателестроение. - 2006. - № 2. - С. 11 - 13.

6. Володин Ю.Г. Коэффициент трения в пусковом режиме энергетических установок / Ю.Г. Володин, К.С. Федоров, М.В. Яковлев // Изв. ВУЗов. Машиностроение. - 2006. - № 8. - С. 37 - 40.

7. Володин Ю.Г. Ламинаризация ТПС в пусковом режиме энергетических установок / Ю.Г. Володин, М.В. Яковлев // Изв. ВУЗов. Машиностроение. -2006.-№ 10.-С. 39-42.

8. Володин Ю.Г. Коэффициент теплоотдачи в пусковом режиме энергетических установок / Ю.Г. Володин, К.С. Федоров, М.В. Яковлев // Изв. ВУЗов. Машиностроение. - 2007. - № 1. - С. 26 - 29.

9. Володин Ю.Г. Расчет нестационарного движения пылевоздушного потока в осесимметричных каналах теплоэнергетического оборудования / Ю.Г. Володин, А.Н. Богданов // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 2007. - № 2. -С. 17-19.

10. Володин Ю.Г. Расчет коэффициентов трения и теплоотдачи при нестационарном неизотермическом течении несжимаемого газа в осесимметричных каналах / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина // Изв. ВУЗов. Машиностроение. - 2007. — № 3. - С. 21 — 26.

11. Володин Ю.Г. Расчет нестационарного неизотермического течения несжимаемого газа в оссесимметричных каналах энергетических установок / Володин Ю.Г., Марфина О.П. // Изв. ВУЗов. Машиностроение. - 2007. - № 5. -С. 39-42.

12. Володин Ю.Г. Влияние нестационарности и . двухфазности на характеристики трения в цылевоздушном потоке / Ю.Г. Володин, А.Н. Богданов // Известия ВУЗов. Машиностроение. —2007. - № 6. — С. 29-33.

13. Володин Ю.Г. Скоростная неравновесность в пылевоздушных двухфазных потоках / Ю.Г. Володин, А.Н. Богданов // Известия ВУЗов. Машиностроение. -2007. -№ 10. - С. 29 - 33.

14. Володин Ю.Г. Экспериментальное исследование теплообмена в пусковом режиме энергоустановки // Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. — 2007. - № 4.-С. 3-8.

15. Володин Ю.Г. Исследование теплообмена при пуске энергоустановки // Теплоэнергетика.- 2007. - № 5. - С. 61 - 63.

16. Володин Ю.Г. Исследование тепловой инерционности микротермопар / Ю.Г. Володин, И.Ф. Закиров, К.С. Федоров, М.В. Яковлев // Датчики и системы. - 2007. - № 6. - С. 33-35.

17. Володин Ю.Г. Экспериментальное исследование тепловой инерционности микротермопар / Ю.Г. Володин, К.Х. Гильфанов, О.П. Марфина, И.Ф. Закиров, А. А. Казаков, А.Б. Кузнецов, Ж.С. Рыжакова // Приборы. —2008. - № 4.-С. 52-55.

18. Володин Ю.Г. Измерение касательных напряжений трения в нестационарном неизотермическом потоке газа / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, А.Н. Богданов, М.С. Цветкович, Р.Р. Ханнанов, А.Б. Кузнецов, Ж.С. Рыжакова //Приборы,-2008.-№ 11.-С. 41 -44.

19. Володин Ю.Г. Измерение касательных напряжений трения в нестационарном газовом потоке / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, А.Н. Богданов, М.С. Цветкович, А.Б. Кузнецов // Датчики и системы. - 2009. - № 2.-С. 34-36.

20. Володин Ю.Г. Экспериментальное исследование теплообмена в осесимметричных элементах мундштуков / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, А.Б. Кузнецов, Ж.С. Рыжакова // Сварочное производство. - 2009. - № 2. - С. 15-17,

21. Володин Ю.Г. Нестационарный неизотермический газовый поток в осесимметричных каналах энергетических установок / Г.Н. Марченко, Ю.Г. Володин // Изв. ВУЗов Проблемы энергетики - 2010 - № 5 - 6. - С. 86 - 95.

22. Володин Ю.Г. Оптимизация профиля осесимметричных элементов мундштуков / Г.Н. Марченко, Ю.Г. Володин, О.П. Марфина // Сварочное производство. - 2010. - № 9. - С. 33 - 36.

23. Володин Ю.Г. Теплоотдача и трение при пуске энергоустановок / Ю.Г. Володин, О .П. Марфина, А.Ф. Фардиев, М.С. Цветкович // Энергетика Татарстана. - 2012.-№1.-С.28-32.

24. Володин Ю.Г. Расчет локальных коэффициентов теплоотдачи и трения при течении дымовых газов в эвакуационных каналах / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, М.С. Цветкович, А.Ф. Фардиев // «Энергетика Татарстана». - № 2. -2012.-С. 26-31.

В монографиях:

1. Володин Ю.Г., Марфина О.П. Математическое моделирование пусковых режимов энергетических установок. - Санкт-Петербург. Изд. «Инфо-да». 2007. - 128 с. (ISBN 978-5-94652-210-6).

2. Володин Ю.Г., Яковлев М.В. Нестационарность и ламинаризация ТПС в пусковых режимах энергетических установок. - Санкт-Петербург. Изд. «Инфо-да». 2008. - 160 с. (ISBN 978-5-94652-243-4).

3. Володин Ю.Г., Федоров К.С. Теплоотдача и трение в пусковых режимах энергетических установок. - Санкт-Петербург. Изд. «Инфо-да». 2009. - 132 с. (.ISBN 978-5-94652-275-5).

4. Володин Ю.Г., Марченко Г.Н., Федоров К.С. Нестационарные теплоотдача и трение в коротких цилиндрических каналах энергетических установок. -Санкт-Петербург. Изд. «Инфо-да». 2010. - 132 с. (ISBN 978-5-94652-315-8).

5. Володин Ю.Г., Марфина О.П., Цветкович М.С. Математическое моделирование течения газовых потоков в дымовых трубах в пусковых режимах энергетических установок. - Санкт-Петербург. Изд. «Инфо-да». 2011. - 100. с. (ISBN 978-5-94652-370-7).

6. Володин Ю.Г., Кузнецов А.Б._ Марфина О.П., Фардиев А.Ф. Течение и теплоотдача в осесимметричных каналах при пуске энергетической установки. - Санкт-Петербург. Изд. «Инфо-да». 2011. - 100 с. (ISBN 978-594652-372-1).

В журналах и сборниках 1. Володин Ю.Г. Экспериментальное исследование теплоотдачи при больших температурных напорах / Володин Ю.Г., Фомин A.B. // Конвективный

тепломассообмен. Международный форум по тепломассообмену. - Минск. - 1988. - Ч. 2. -С. 19-21.

2. Володин Ю.Г. Нестационарная теплоотдача на начальном участке цилиндрической трубы// Инженерно-физический журнал. - 1989. - Т. 57. -№4.-С. 574- 577.

3. Володин Ю.Г. Ламинаризация ТОС в нестационарных условиях // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов ХУ Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - Казань. -2003. - С. 96 - 97. ISBN 5-98180-003-8.

4. Володин Ю.Г. Нестационарное неизотермическое течение на начальном участке цилиндрической трубы // Актуальные вопросы промышленной теплоэнергетики и энергосбережения. Межвузовский научный сборник статей. СГТУ. - Саратов. - 2004. - С. 205 - 211. ISBN 5-7433-1354-7.

5. Володин Ю.Г. Нестационарное двухфазное течение на начальном участке цилиндрического канала // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов ХУ1 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - Казань. - 2004. - С. 39 -40. ISBN 5-9222-0086-0.

6. Володин Ю.Г. Нестационарный теплообмен при пуске энергетических установок // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических, установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов ХУ1 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - Казань. - 2004. - С. 37 - 38. ISBN 5-9222-0086-0.

7. Володин Ю.Г. Аналитическое исследование отрыва турбулентного пограничного слоя, обусловленного нестационарностью // Материалы межрегиональной научно-практической конференции. «Инновационные

процессы в области образования, науки и производства». - Нижнекамск. -2004. - С. 20 - 22. ISBN 5-94113-044-9.

8. Володин Ю.Г. Нестационарная теплоотдача в проточных элементах сварочного оборудования // Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов. Сборник статей IX Международной научно-технической конференции. - Пенза. - 2004. - С. 37 - 38. ISBN 5-8356-0311-8.

9. Володин Ю.Г. Гидродинамика потока при пуске энергетических установок // Актуальные проблемы энергетики. Энергоресурсосбережение. Труды 2-ой Всероссийской научно-практической конференции. - Самара. - 2004. - С. 21 -25.

10. Володин Ю.Г. Интенсификация процессов переноса с помощью нестационарных эффектов // Современное состояние процессов переработки нефти. Материалы научно-практической конференции. - Уфа. - 2004. - С. 260. ISBN 5-902159-05-9.

11. Володин Ю.Г. Теплоотдача в пусковом режиме энергетической установки // Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование. Экологически безопасные производства. Материалы международной научной конференции. Сборник трудов, том 2. - Иваново. - 2004. - С. 80. ISBN 5-9616-0036-Х

12. Володин Ю.Г. Математическое моделирование нестационарного двухфазного течения в цилиндрическом канале / Богданов А.Н., Володин Ю.Г. // VIII Всероссийская научно-практическая конференция «Современные технологии в машиностроении». - Пенза. - 2004. - С. 199. ISBN 5-8356-0355-X.

13. Володин. Ю.Г. Экспериментальное исследование нестационарного неизотермического течения на начальном участке цилиндрической трубы / Ю.Г. Володин, К.С. Федоров, М.В. Яковлев // Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук. Сборник статей Международной заочной научно-практической конференции. - Ульяновск. - 2004. - С. 17 - 20.

14. Володин Ю.Г. Аналитическое исследование трения и теплоотдачи в одно-и двухфазных газовых потоках при пуске энергоустановок / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, А.Н.Богданов, Р.Н. Гапиев // Актуальные вопросы

промышленности и прикладных наук. Сборник статей Международной заочной научно-практической конференции. - Ульяновск. - 2004. - С. 15—16.

15. Володин Ю.Г. О коэффициенте трения при влиянии нестационарности, продольного градиента давления и неизотермичности / Ю.Г. Володин, К.С. Федоров, О.П. Марфина // «Современные наукоемкие технологии» региональное приложение к журналу Российской академии естествознания. — Иваново: ИГХТУ. - 2004. - №2. - С. 39 - 42. ISSN 1681-7494.

16. Володин Ю.Г. Об отрыве турбулентного пограничного слоя, обусловленного нестационарностью / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, Р.Н. Галиев // «Современные наукоемкие технологии» региональное приложение к журналу Российской академии естествознания. — Иваново: ИГХТУ. — 2004. -№2. - С. 43 - 47. ISSN 1681-7494.

17. Володин Ю.Г. Математическое моделирование трения и теплоотдачи в одно- и двухфазном газовом потоке / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, А.Н. Богданов, Р.Н. Галиев // Материалы и технологии XXI века. Сборник статей Ш Международной научно-технической конференции. - Пенза. - 2005. — С. 154- 155.ISBN 5-8356-0371-1.

18. Володин Ю.Г. Экспериментальное исследование нестационарного течения на начальном участке цилиндрической трубы / Ю.Г. Володин, К.С. Федоров, М.В. Яковлев // Материалы и технологии XXI века. Сборник статей П1 Международной научно-технической конференции. - Пенза. - 2005. - С. 173 - 176JSB./V5-8356-0371-1.

19. Володин Ю.Г. Пусковой режим энергетической установки / Ю.Г. Володин, М.В. Яковлев // Наука и производство Урала. Сборник трудов межрегиональной научной конференции. - Новотроицк. - 2005. - С. 26.- 29. .К&У 5-89088-017-9.

20. Володин Ю.Г. Коэффициент трения в условиях влияния нестационарности, продольного градиента давления и неизотермичности / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, К.С. Федоров // Энергосбережение в промышленности и теплоэнергетике. Сборник научных трудов. - Саратов. -2005. - С. 134 - 137. ISBN5-7433-1481-0.

21. Володин Ю.Г. Расчет критических параметров отрыва турбулентного пограничного слоя в нестационарных условиях / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, А.Н. Богданов // Энергосбережение в промышленности и теплоэнергетике. Сборник научных трудов. - Саратов. - 2005. - С. 138 - 142. ISBN 5-7433-1481-0.

22. Володин Ю.Г. Нестационарный теплообмен на начальном участке цилиндрической трубы / Ю.Г. Володин, М.В. Яковлев // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов ХУ111 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Казань. - 2006. - Ч. 1. - С. 352 - 353. ISBN5-9222-0142-5.

23. Володин Ю.Г. Течение в осесимметричных каналах горелок / A.M. Кашапова, Ю.Г. Володин // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов ХУ111 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Казань.-2006.-Ч. 1.-С. 350 - 351. ISBN 5-9222-0142-5.

24. Володин Ю.Г. О ламинаризации ТПС в пусковом режиме энергетической установки // международная национальная конференция по теплоэнергетике НКТЭ-2006. Материалы докладов. Казань, 2006. - С. 222 - 225. ISBN 5-98180318-5.

25. Володин Ю.Г. Теплообмен и течение газа в дымовой трубе / А.Б. Кузнецов, Ю.Г. Володин // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, .струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Казань, 2007. - Ч. 1. — С. 185 - 186. ISBN 5-92220142-5.

26. Володин Ю.Г. Течение и теплообмен в дымовых трубах теплоэнергетических предприятий / А.Б. Кузнецов, Ю.Г. Володин //

Материалы и технологии XXI века. Сборник статей V Международной научно-технической конференции. Пенза, 2007. - С. 135 - 137. ISBN 978-58356-0599-6.

27. Володин Ю.Г. Нестационарное неизотермическое течение несжимаемого газа в осесимметричных каналах энергетических установок / Ю.Г. Володин, О .П. Марфина, А.Б. Кузнецов, Ж.С. Рыжакова // ЭНЕРГЕТИКА-2008: инновации, решения, перспективы. Материалы международной научно-технической конференции. Казань, 2008. - С.25 - 28. ISBN 978-5-89873-295-0.

28. Володин Ю.Г. Теплоотдача в пусковом режиме энергетической установки / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, А.Б. Кузнецов, Ж.С. Рыжакова // Состояние и перспективы развития электротехнологии. Материалы международной научно-технической конференции «XV Бенардосовские чтения». Иваново, 2009. - С. 11 - 12. ISBN 978-5-89482-568-7.

29. Володин Ю.Г. Нестационарное неизотермическое течение несжимаемого газа в осесимметричных каналах энергетических установок транспортных средств / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, М.С. Цветкович // «Наука и образование транспорту». Материалы международной научно-практической конференции. Самара, 2009. - С. 248-250. ISBN 978-5-98941-101-6.

30. Володин Ю.Г. Течение и теплоотдача газового потока при пуске энергоустановок/ Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, А.Б. Кузнецов, М.С. Цветкович, А.Ф. Фардиев // «Теоретические основы энергоресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств». Материалы IX Международной научной конференции. Иваново, 2010. - С. 26 - 30. ISBN 978-5-9616-0377-4.

31. Володин Ю.Г. Теплоотдача и трение при запуске энергетических, установок / Ю.Г. Володин // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов XXI11 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Казань. - 2011. - Ч. 1. - С. 23 - 25. ISBN 5-92220413-5.

32. Володин Ю.Г. Течение и теплоотдача в сужающихся каналах при запуске энергетических установок / Ю.Г. Володин, А.Ф. Фардиев // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов XXI11 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Казань. - 2011. - Ч. 2. - С. 95 - 96. /55// 5-9222-0413-5.

33. Володин Ю.Г. Теплоотдача при запуске энергетических установок / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, М.С. Цветкович, А.Ф. Фардиев // Прогрессивные технологии в современном машиностроении. Сборник статей VII Международной научно-технической конференции. Пенза. - 2011. — С. 103 — 105. /55^978-5-8356-1161-4.

34. Володин Ю.Г. Математическое моделирование течения несжимаемого газа в осесимметричных каналах энергетических установок / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, М.С. Цветкович, // Проблемы исследования и проектирования машин. Сборник статей VII Международной научно-технической конференции. Пенза. - 2011. - С. 13 - 16. /55Л^978-5-8356-1205-5.

35. Володин Ю.Г. Математическое моделирование течения газов в дымовых трубах электрических станций / Ю.Г. Володин, О.П. Марфина, М.С. Цветкович, // Экология и жизнь. Сборник статей XXI Международной научно-практической конференции. Пенза. - 2011. - С. 30 - 33. /5ВМ>78-5-8356-1195-9.

36. Володин Ю.Г. Теплоотдача в пусковом режиме энергоустановки / Ю.Г. Володин, А.Ф. Фардиев, М.С. Цветкович // «Надежность и безопасность энергетики». — № 1. - 2012. - С. 62 — 64.

Цитированная литература: * Кун В.К., Перкинс Х.К. Переход от турбулентного режима к ламинарному для течения в трубе со значительным изменением физических свойств// Тр. Амер. об-ва инж.-мех. Сер. С «Теплопередача» - 1970 - Т. 92 - № 3 - С. 198 - 204.

Издательство

Казанского государственного архитектурно-строительного университета Подписано в печать 24.06.13 Формат 60x84/16

Заказ 307 Бумага офсетная № 1 Усл.-печ.л. 3,0

Тираж 100 экз._Печать ризографическая_

Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГАСУ. 420043, Казань, Зеленая, 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ТРЕНИЕ И ТЕПЛООТДАЧА В ПУСКОВЫХ РЕЖИМАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 01.04.17 - «Химическая физика, горение и взрыв, физика

На правах рукописи

ВОЛОДИН ЮРИИ ГУРЬЯНОВИЧ

экстремальных состояний вещества»

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Казань 2013

2 • ' ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ....................................................................................................6

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................8

ГЛАВА I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР....................................................................................16

1.1. Функции ракетных двигателей и их' отличительные особенности..................................................................................................................................................16

1.1.1. Ракетный и реактивный двигатель................................................................16

1.1.2. Запуск РД..................................................................................................................................19

1.1.3. Назначение РДМТ. Особенности ЖРДМТ..............................................21

1.1.3.1. Особенности рабочих процессов ЖРДМТ..............................23

1.1.4. Расчет параметров РД..................................................................................................26

1.1.5. Динамические характеристики РД..................................................................30

1.2. Теоретические и экспериментальное исследование влияния тепловой и динамической нестационарности на трение и теплоотдачу................................................................................................................................................31

1.3. Математическое моделирование нестационарных турбулентных течений..................................................................................................................48

1.4. Трение и теплоотдача в градиентных ускоренных течениях............62

1.5. Диагностика нестационарных процессов..........................................................76

1.6. Выводы по обзору литературы................................................................................81

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕСТАЦИОНАРНОГО НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ НЕСЖИМАЕМОГО ГАЗА В ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ КАНАЛАХ.... 85

2.1. Краевые условия. Основные уравнения. Замыкающие соотношения....................................................................... 85

2.1.1. Краевые условия...................................................... 85

2.1.2. Основные уравнения................................................. 87

2.2. Закон трения, профили скоростей, интегральные характеристики нестационарного турбулентного пограничного слоя

в неизотермических условиях................................................. 91

2.3. Закон теплоотдачи, тепловые и интегральные характеристики турбулентного пограничного слоя............................................ 99

2.4. Параметры трения и теплоотдачи....................................... 105

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ НЕСЖИМАЕМОГО ГАЗА В УСЛОВИЯХ ВНУТРЕННЕЙ ЗАДАЧИ.......................................... 108

3.1. Нестационарное неизотермическое течение в конфузоре

с предвключенным цилиндрическим участком............................. 108

3.2. Влияние фактора неизотермичности в нестационарных условиях............................................................................ 117

3.3. Влияние отрицательного продольного градиента давления в стационарных изотермических течениях.................................... 127

3.4. Влияние динамической нестационарности и неизотермичности на трение и теплоотдачу в условиях отрицательного продольного градиента давления............................................................... 133

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТОВ............................................................ 143

4.1. Описание экспериментальной установки

143

4.2. Опытный участок........................................................................................................................148

4.3. Измерительно-регистрирующая аппаратура....................................................151

4.4. Проведение экспериментальных исследований............................................153

4.4.1. Предварительные отладочные экспериментальные исследования..................................................................................................................................153

4.4.2. Исследование динамических характеристик преобразователей температуры и давления........................................................154

4.4.3. Тарировка датчиков трения «трубка-выступ»................................................................................................................................................157

4.4.4. Методика проведения основного эксперимента..............................160

4.5. Оценка точности результатов эксперимента..................................................161

4.6. Характеристика эксперимента......................................................................................167

4.7. Методика обработки опытных данных................................................................173

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРЕНИЯ И ТЕПЛООТДАЧИ В НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ НЕСТАЦИОНАРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ....................................................................................... 184

5.1. Результаты экспериментальных исследований по трению......... 184

5.1.1. Исследования при изменении температуры потока (Г0 =

var)........................................................................................................ 184

5.1.2. Исследования при постоянстве температуры потока (Г0 =

const)........................................................................... 196

5.2. Результаты экспериментальных исследований по теплоотдаче... 207

5.2.1. Исследования при изменении температуры потока (Г0 = var).............................................................................. 207

5.2.2. Исследования при постоянстве температуры потока (То -const)............................................................................ 224

ГЛАВА 6. ГРАНИЦЫ ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НЕСТАЦИОНАРНОГО НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ НЕСЖИМАЕМОГО ГАЗА В ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ

КАНАЛАХ...............................................:............................................................239

6.1. Определение границ применения математической модели................239

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................................................248

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................252

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................................................................................292

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Д г - диаметр и радиус канала (м);

х, у - продольная и поперечная координаты (м);

X - безразмерная продольная координата;

5, 8*, 5** - соответственно толщины: пограничного слоя, вытеснения, потери импульса (м);

- соответственно толщины: теплового пограничного слоя, потери энергии (м);

^-у/8 - безразмерная поперечная координата; # = 8*/8** - формпараметр;

С? - расход (кг/с); • '

р - плотность (кг/м3); Р - давление (Па); Т - температура ? - время (с);

- скорость (м/с); со = м^/у^о ~ относительная скорость; м/0.

Ж = —— - относительная скорость;

т - касательное напряжение (н/м2);

V - кинематический коэффициент вязкости (м2/с);

ц - динамический коэффициент вязкости (Па • с);

эг - константа турбулентности;

Су - безразмерный коэффициент трения;

81 - число Стантона; Я - универсальная газовая постоянная;

Яе - число Рейнольдса;

11е** - характерное число Рейнольдса пограничного слоя;

' Дж л

Ср - удельная теплоемкость к - энтальпия (Дж/кг);

чкг,0 К.

д - плотность теплового потока (вт/м2); & - безразмерная температура; фА - энтальпийный фактор; Рг - число Прандтля;

X - параметры продольного градиента давления или энтальпии; г - параметр нестационарности; N11 - число Нуссельта;

Индексы

0 - внешняя граница пограничного слоя, стандартные условия;

1 - условия на входе, параметры на границе вязкого подслоя; и- - параметры на стенке;

Ъ - тепловые параметры; * - параметры торможения.

ВВЕДЕНИЕ

В современных различных двигателях и энергетических установках авиации и ракетной технике большую роль играют нестационарные процессы. Проявление в нестационарных условиях других возмущающих факторов, сопутствующих течению газа и жидкости, таких как неизотермичность, изменение формы обтекаемой поверхности, приводит к существенным изменениям локальных параметров трения и теплообмена и течения в целом.

Несмотря на значительное число работ, посвященных исследованию нестационарных процессов в условиях внутренней задачи, по-прежнему малоизученными являются вопросы, связанные с совместным влиянием динамической и тепловой нестационарности, а также неизотермичности при турбулентных режимах течения на начальном участке осесимметричных каналов.

Аналитические исследования процессов тепло- и массообмена в настоящее время базируются на их численном моделировании. Практически все известные математические модели [35 - 37, 46, 64, 66 - 67, 77, 87, 89, 90, 141, 142, 190 - 192, 205, 217 - 219, 237 - 239, 244, 251, 261, 268, 269, 273, 276, 302, 303, 309, 314, 319, 320] нестационарных турбулентных течений в условиях внутренней задачи, в основу которых положены уравнения движения, неразрывности и энергии, в качестве замыкающих соотношений используют эмпирические, либо полуэмпирические зависимости, полученные при исследовании стационарных режимов течения. Данные допущения являются причиной иногда существенных расхождений при сопоставлении результатов расчета с экспериментальным материалом. Кроме того, в нестационарных условиях при наличии возмущающих факторов, дестабилизирующих течение, возникает необходимость корректной оценки величин коэффициентов трения и теплоотдачи. В силу отсутствия

рациональных гипотез, определяющих эту связь, в настоящее время по-прежнему актуальным остается применение методов теории относительного соответствия Кутателадзе С.С. и Леонтьева А.И., согласно которой рассматриваются отдельные воздействия и выводятся частные зависимости, количественно определяющие данное явление. Рассматривая в качестве возмущающего воздействия нестационарность, неизотермичность, и др. использование теории относительного соответствия позволяет учесть воздействие данных факторов в коэффициентах обмена, а распределение параметров по длине может быть найдено из решения нестационарных уравнений движения, неразрывности и энергии.

В настоящей работе исследованы нестационарные процессы при ускорении газового потока, вызванного различными факторами - увеличение скорости потока (расхода), увеличение температуры рабочего тела, когда поток ускоряется в силу изменения теплофизических свойств среды, ускорение потока, вызванное влиянием неизотермичности при энтальпийном факторе меньше единицы, ускорение потока, вызванное изменением геометрии канала (конфузор) или развитием пограничного слоя, т. е. течение в зоне формирования пограничного слоя. Численный эксперимент по отношению к коэффициентам переноса выполнен в широком диапазоне дестабилизирующих факторов с учетом как ускорения, так и замедления потка. При продолжительном ускорении либо торможении потка возникают соответствующие известные динамические эффекты, которые ограничивают область применения предлагаемого метода расчета.' Впервые приводятся аналитические выражения для границ применения интегральной математической модели в функции обобщающего параметра трения, учитывающего воздействия различных дестабилизирующих факторов на турбулентный пограничный слой (ТПС).

В настоящее время имеется достаточное количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованиям неизотермических

стационарных течений [5, 7, 12, 17, 130 - 132, 146, 160, 165, 166, 182, 187, 193, 259, 274, 321 и др.], работ по исследованию нестационарной теплоотдачи в цилиндрических каналах, когда тепловые потоки направлены от стенок канала к газу [116 - 127, 150 - 157, 174, 177, 178, 195, 196, 247, 248, 279, 292, 353], и лишь единичными публикациями [44, 50, 61 - 69, 71, 74, 181, 184, 204, 293, 294, 298 - 300] представлены исследования влияния динамической нестационарности на коэффициенты трения и теплоотдачи при резком изменении начальных условий. Следует также указать на недостаточную изученность вопросов, связанных с совместным влиянием неизотермичности, динамической и тепловой нестационарности, продольного градиента давления на начальном динамическом и тепловом участке течения. Эти вопросы по отношению к коэффициентам теплоотдачи решались в работах [47, 49 - 52, 54, 57, 59 - 66, 71, 74, 77, 86 - 88, 300, 316, 317].

При выполнении экспериментальных исследований автором обнаружено впервые снижение эффективности теплоотдачи при скорости увеличения температуры рабочего тела, превышающей величину 3000° К/с, а также впервые явление ламинаризации турбулентного ' пограничного слоя зафиксировано в пусковом режиме энергетической установки, когда тепловой поток направлен от теплоносителя к холодной стенке. К настоящему времени это явление, сопровождаемое снижением турбулентного тепло- и массообмена и подавлением механизма турбулентности зафиксировано в ситуациях, причинами которых являются ускорение потока в условиях отрицательного продольного градиента давления [32, 110, 203, 325], отсос газа из пограничного слоя [344], охлаждение обтекаемой поверхности [381], совместное действие охлаждения стенки и ускорения потока газа [31 - 33], нагрев обтекаемой стенки [34, 185].

Цель работы. 1. Провести математическое моделирование нестационарного турбулентного течения с теплообменом в осесимметричном конфузорном канале с предвключенным начальным участком цилиндрической

трубы при резком возрастании: 1) температурного напора, 2) расхода рабочего тела при постоянстве его температуры.

2. Выполнить численный анализ влияния динамической и тепловой нестационарности, неизотермичности, отрицательного продольного градиента давления на характеристики турбулентного пограничного слоя и проверить на адекватность разработанный метод расчета.

3. Провести комплексное экспериментальное исследование по изучению влияния совместного воздействия тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности на параметры потока и коэффициенты трения и теплоотдачи при различной интенсивности увеличения температуры теплоносителя и постоянстве его массового расхода на начальном участке цилиндрического канала, для чего:

- выполнить анализ влияния каждого из дестабилизирующих факторов на характеристики динамического и теплового турбулентного пограничного слоя и на течение и теплоотдачу в целом;

- выявить закономерности и определить величину изменения параметров течения и теплоотдачи при воздействии перечисленных дестабилизирующих факторов;

- подготовить опытный участок, средства измерения и регистрации для выполнения экспериментальных исследований в нестационарных режимах и отработать соответствующие методики, алгоритмы и программы проведения предварительных и основных экспериментов и обработки результатов измерений.

Научная новизна. Выполнено исследование нестационарного неизотермического турбулентного течения газа с теплообменом в осесимметричном канале. В результате проведенного аналитического исследования получена новая информация о влиянии динамической и тепловой нестационарности, неизотермичности, продольного градиента давления на характеристики трения и теплообмена в зоне формирования пограничных

слоев. Проведенные обобщения известных и полученных автором данных позволили разработать инженерный метод расчета течения и теплообмена в указанных условиях. Впервые приводятся аналитические выражения для границ, ограничивающих область применения интегрального метода расчета в функции обобщающего параметра трения, аккумулирующего воздействие различных дестабилизирующих факторов. • '

Проведено комплексное исследование развития нестационарного неизотермического течения и теплоотдачи газового потока на начальном участке цилиндрического канала при различных режимах резкого увеличения температуры рабочего тела и постоянстве его массового расхода. Получена новая экспериментальная информация о совместном влиянии тепловой и динамической нестационарности и неизотермичности на коэффициенты трения и теплоотдачи и параметры потока, а именно, экспериментально установлено 2-х - 3-х кратное увеличение коэффициентов трения и теплоотдачи, вызванное влиянием нестационарности при увеличении температуры газового потока, а также впервые зафиксировано, что в пусковых режимах энергетических установок увеличение скорости изменения температуры рабочего тела более 3000° Юс приводит к снижению интенсивности теплоотдачи.

Кроме того, экспериментально установлено 2-х - 3-х кратное увеличение коэффициентов трения и уменьшение коэффициентов теплоотдачи, вызванное влиянием нестационарности при резком увеличении температуры газового потока и температурном напоре более 700 К, а также впервые явление ламинаризации теплового турбулентного пограничного слоя (ТПС) зафиксировано при тепловом потоке, направленном от теплоносителя к обтекаемой поверхности.

Практическая ценность. Разработанная методика расчета внутренней структуры течений в зоне формирования пограничных слоев при совместном воздействии рассматриваемых дестабилизирующих факторов и больших температурных напорах, а также при изменении расхода рабочего тела может

13 . ,

быть использована при конструировании и выборе оптимальных режимов работы сложных технологических систем и энергетических установок. Впервые приводятся аналит�