Параметрическое возбуждение термомеханических колебаний проволочного нагревателя с целью дистанционного управления интенсивностью теплообмена тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ Б ОД

На правах рукописи

I ¡\

КАРМАЦКИЙ Николай Петрович

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПРОВОЛОЧНОГО НАГРЕВАТЕЛЯ С ЦЕЛЬЮ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТЬЮ ТЕПЛООБМЕНА

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

А-ВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ставрополь 1995

Работа выполнена в лаборатории кафедры теоретической физики Ставропольского ордена Дружбы народов государственного педагогического института.

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук,

профессор Е.И.НЕСИС

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

И.Т.АЛАДЬЕВ

Кандидат физико-математических наук, доцент Х.Ш.БОРЛАКОВ

Ведущая организация - Кабардино-Балкарский государственный

университет

Защита диссертации состоится "_ 199 ¿года

в . ч. мин. на заседании Специализированного совета

К О /Л О Л при Ставропольском государственном техническом университете.

Ваш отзыв в двух экземплярах, скрепленный гербовой печатью просим направлять по адресу: 355038, г.Ставрополь, пр.Кулакова,2, государственный технический университет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГПУ.

Автореферат разослан " ^ "

Ученый секретарь

Специализированного совета , ' Е.Л.ТОРОЩЕВ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При работе тепловых машин и механизмов, у которых температура движущихся частей значительно отличается от температуры окружающей среды, возникает задача отвода тепла от последних с целью предотвращения их разрушения. Интенсивность теплоотдачи между движущимися и неподвижными частями устройства зависит от их относительной скорости. Вместе с тем характер этой зависимости существенно определяется условиями колебательного движения нагревателя - частотой, размахом и ориентацией колебаний горячей детали, ее геометрией и родом материала, наличием воздушной или жидкостной прослойки между теплообменивающимися частями рассматриваемого устройства и ряда других обстоятельств. Отметим, что особенностям теплопереноса от колеблющегося нагревателя посвящено большое количество работ многих исследователей, однако в предлагаемой диссертационной работе главное внимание уделяется интенсификации теплоотдачи в процессах, где вибрации струны параметрически самовозбуждаются в результате питания ее периодическим импульсным током. Процесс параметрического возбуждения вибраций тонкого нагревателя, расположенного внутри трубы, по которой протекает жидкость, может оказаться весьма полезным для управления интенсивностью теплоотдачи в труднодоступных элементах ядерных и космических реакторов.

Цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном изучении зависимости коэффициента теплоотдачи от вертикально натянутой тонкой проволоки, совершающей поперечные колебания и обогреваемой постоянным или импульсным током, выяснение роли частоты и амплитуды указанных колебаний, а также влияние характера импульсного тока на параметрическое самовозбуждение интенсивных

вибрации электрической струны и усиление теплопереноса от нее к окружающей среде.

В результате этих экспериментальных исследований определить условии, позволяющие дистанционно и эффективно управлять интенсивностью процесса теплопереноса.

Научная новизна.

1. Создана экспериментальная установка и разработана методика исследования зависимости коэффициента теплоотдачи от параметров параметрически самовозбуждающихся поперечных колебаний струны, обогреваемой переменным или импульсным электрическим током.

2. Применена новая методика параметрического управления интенсивностью осцилляции теплоотдающей струны, позволяющая изменять амплитуды в значительных пределах и тем самым управлять значением коэффициента теплоотдачи X .

3. Экспериментально установлены эмпирические зависимости коэффициента теплоотдачи, X от амплитуды^ и частоты со поперечных колебаний струны, а также от произведения ЛIV , ориентации и геометрии тонкого цилиндрического нагревателя, величины теплового потока Ц, и других условий процесса.

4. Теоретически и экспериментально определены оптимальные параметры переменного и импульсного токов, питающих тонкий вертикально расположенный нагреватель, необходимых для параметрического самовозбуждения его горизонтальных вибраций и наиболее быстрого нарастания размаха этих вибраций и связанного с ними коэффициента теплоотдачи.

о. Выяснепа эффективность метода интенсификации« теплообмена з условиях естественной конвенции с помощью термомеханических и

механотермических колебаний тонкого вертикального цилиндра.

6. Выяснены влияния частотных и фазовых соотношений на интенсивность термомеханических колебаний тонкого цилиндра в воздушной среде и тем самым выработаны рекомендации для максимального увеличения коэффициента теплоотдачи.

7. {Разработан метод комбинированного использования обычного и параметрического резонансов для получения больших апмлитуд поперечных колебаний цилиндрического нагревателя, усиливающих теп-лоперенос к окружающей сплошной среде.

Практическое значение.

1. Разработана методика совместного применения обычного резонанса возбужденных поперечных колебаний тонкого цилиндрического нагревателя из ферромагнитного материала посредством периодических воздействий внешнего магнитного поля с одновременным переодическим изменением натяжения проволоки, т.е. создание параметрических модуляций достаточной глубины. Частоты тех и других воздействий определялись собственной частотой вибрирующей проволоки, таким образом, что в системе одновременно могли возникнуть обычные и параметрические резонансы, что позволило получить поперечные колебания обогреваемой проволоки особенно больших амплитуд и соответственно максимальные значения.коэффициента теплоотдачи от нагревателя к окружающей среде в условиях естественной конвекции.

Эта методика может оказаться чрезвычайно полезной в тех практических обстоятельствах, когда необходимо срочно усилить теплоперенос к окружающей нагреватель жидкой среде, особенно когда энергетическая установка или аппаратура расположены в местах, недоступных для прямого вмешательства оператора.

2. Несомненную практическую пользу для управления процессом

теплообмена между твердым телом и окружающей его газсадад костной средой в условиях естественной конвекции принесет разработанный в диссертации способ параметрического самовозбуждения термомеханических колебаний обогреваемого переменным или импульсным электрическим током тонкого цилиндра, расположенного на больших расстояниях в труднодоступных или совершенно недоступных элементах ядерных силовых реакторах или в реактивных двигателях космических летательных аппаратов.

3. Для современной практической теплотехники во многих случаях для расчетов интенсивности теплоотдачи окажутся полезными выясненные в диссертации зависимости коэффициента <х от параметров вибраций нагревателя (амплитуды оЛ , частоты си , произведения ско, теплорого потока с^, температурного напора ,Т, длины и диаметра теплоотдавщего цилиндра, теплопроводности материала цилиндра, положения цилиндра в пространстве и направления его поперечных колебаний.

4. Определенную практическую ценность для теории колебаний вообще и гидродинамики колеблющихся потоков жидких сред представят выясненные в диссертации оптимальные соотношения частот и глубин модуляции для параметрического возбуждения термомеханических колебаний теплоотдающего или тепловоспринимающего тонкого твердого тела.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Установление факта, что для дистанционного управления интенсивностью теплообмена в труднодоступных элементах энергетических установок или аппаратов следует применять питаемые переменным или импульсным ^..зм тонкие нагреватели, способные совершать параметрические термомеханические колебания в окружающей жидкой или

газообразной среде.

2. Чтобы теплоотдающее тело пришло в параметрическое колебательное движение и при этом существенно возрос коэффициент теплоотдачи питающий переменный (импульсный) ток должен удовлетворять определенным условиям; наиболее благоприятным для указанной цели является ток, частота 0> которого равна собственной частоте Ш, вибрирующего нагревателя, а амплитуда достаточно велика, при этом глубина модуляции (натяжения струны) столь значительна, что приток параметрической энергии в систему превышает диссипативные потери (трение, джоулево тепло, вязкость среды и т.п.).

3. Экспериментальные результаты, определившие зависимость коэффициента теплоотдачи X вертикально натянутой обогреваемой проволоки от амплитуды Л поперечных (горизонтальных) колебаний в условиях естественной конвенции окружающей воздушной среды.

4. Экспериментальные результаты, позволившие определить зависимость коэффициента теплоотдачи X вертикально натянутой тонкой обогреваемой проволоки от частоты и) ее поперечных колебаний при определенном значении частоты и), собственных колебаний струны в жидкой или газообразной среде.

5. Экспериментальные результаты исследования зависимости коэффициента теплоотдачи X , совершающей поперечные колебания вертикально расположенной струны, питаемой переменным или импульсным током, от величины теплового потока температурного напора дТ, длины, диаметра и материала струны в воздушной среде в условиях естественной конвекции.

Апробация работы. Основные результаты диссератации были доложены на физическом семинаре СГПУ, на отчетной научной конференции Ставропольского педагогического университета.

Публикации. По результатам исследований были опубликованы

три печатных работы, в т.ч. две статьи в научном журнале ЮТ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложена на 120 страницах, включая 1 таблицу, 20 рисунков и список литературы из 116 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Поскольку в теории теплоотдачи физика процесса теплоотдачи в условиях нестационарных течений жидкой или газообразной среды до сих пор не выяснена, мы не можем в общем виде указать каким образом колебания сплошной среды иди находящегося в ней теплоотдающе-го (тепловоспринимающего) твердого тела влияют на интенсивность переноса теплоты и каким образом в этих условиях можно управлять указанным процессом. Более того, из-за чрезвычайной сложности решения полной системы нестационарных уравнений Навье-Стокса до сих пор не создана теория указанного явления и приходится пользоваться упрощенными моделями, проверяя достоверность получающихся результатов соответствующими экспериментами.

В связи с изложенным мы поставили перед собой в настоящей работе следующие две основные задачи: 1) опытным путем изучить особенности теплоотдачи от совершающей поперечные колебания вертикально натянутой тонкой проволоки (направление колебаний в этом случае всегда перпендикулярны к естественно-конвективному потоку вверх окружающей жидкой или газообразной среды) и 2) разработать надежно действующую методику дистанционного управления интенсивностью процесса теплоотдачи,- чтобы можно было в кратчайшие сроки увеличивать или уменьшать коэффициент теплоотдачи от удаленного или трудно доступного нагревательного элемента в современных энергетически^ ,.:ановках или аппаратах (ядерных реакторах, двигателях реактивных летательных аппаратов и т.п.).

Для решения первой из этих задач нужно натянутую тонкую проволоку ("струну") нагреть до соответствующей температуры и в нужный момент возбудить в ней поперечные колебания определенной апм-литуды, чтобы интенсивность теплоотдачи от струны к окружающей жидкой или газообразной сплошной среде достигла необходимого значения.

При этом следует иметь в виду, что установка, в которой происходят нестационарные гидродинамические и тепловые процессы, может находиться на значительном удалении от пульта управления, в труднодоступном участке термодинамической системы.

Поэтому необходимо было разработать методику, позволяющую соответствующим образом обогревать струну и одновременно дистанционно возбуждать и управлять ее поперечными осцилляциями с таким расчетом, чтобы величина коэффициента теплоотдачи X принимала нужное нам значение.

Отсюда ясно, что для обогрева струны удобнее всего пользоваться переменным электрическим током, амплитудой и частотой которого легко дистанционно управлять.

Но для того, чтобы мы могли регулировать интенсивность теп-лопереноса, нужно, чтобы переменный ток за счет выделяющегося тепла способен был бы возбудить термомеханические выбрации струны, причем должна быть раскрыта взаимосвязь указанных вибраций с величиной коэффициента теплоотдачи оС . Нам удалось разрешить эту проблему использованием метода параметрического самовозбуждения поперечных колебаний электрической струны, причем определенной регулировкой режима обогревающего переменного или П-образного импульсного тока можно усиливать иди ослаблять эти колебания, тем самым увеличивая или уменьшая величину коэффициента теплоотдачи тонкой.проволоки, окруженной жидкой или воздушной средой.

Заметим, что под термомеханическиыи колебаниями принято понимать возникновение в системе под воздействием периодических процессов различной физической природы (механической, электрической, оптической, акустической, тепловой, магнитной) термических осцилляций, которые в свою очередь порождают пульсации размеров и формы, т.е. в конечном счете к механическим вибрациям.

Питая струну переменным током ¿¡л , мы по закону

Джоуля-Ленца получаем термические осцилляции удвоенной

частоты и сдвинутые по фазе относительно тока на угол ^/2 . Указанные температурные осцилляции порождают периодические изменения длины струны (за счет эффекта теплового расширения), что в свою очередь приводит к периодическим уменьшениям и увеличениям натяжения (о струны. А, как известно из теории колебаний, натяжение струны 6" является одним из ее энергоемких (колебательных) параметров. Следовательно, при прохождении по струне переменного тока в ней возникают периодические модуляции колебательного параметра (о . Если при этом глубина модуляций ¿о0 достаточно велика, а частота и) переменного тока равна (это оптимальный вариант) собственной частоте и), поперечных колебаний струны, то она параметрически самовозбуждается и начинает осциллировать, т.е. возникает параметрический резонанс.

Необходимо заметить, что выполнение необходимого условия равенства частот СО- а>. не является достаточным для возникновения параметрического резонанса, должно еще выполняться так называемое условие .фаз.

Строгий расчет показывает, что это условие сводится к следующему требованию: модуляции натяжения струны л 'о(-к) должны отставать по фазе от квадрата отклонения точек струны от равновес-

//г,. ¿Г _

ного состояния и(+) на угол . Т.к. в реальных условиях терми-

ческие осцилляции всегда отстают по фазе от изменений коэ-

ффициента теплоотдачи • Поэтому на практике при выполнении

условия частот и достаточной глубине модуляций обязательно

параметрически возбуждаются термомеханические осцилляции струны и происходят периодические модуляции ее натяжения и с часто-

той 2 Ш.. С другой стороны фазы поперечных колебаний проволоки и модуляции ее натяжения между собой независимы, то фазовое условие выполняется автоматически. Поэтому при модуляциях, превосходящих энергетически порог, в системе параметрически самовозбуждаются термомеханические автоколебания обогреваемой струны, при которых коэффициент теплоотдачи с/ заметно увеличивается. Дальнейшее исследование описанного эффекта показало, что еще более значительное увеличение коэффициента оС происходит, если проволоку питать П-об-разным импульсным током указанной частоты.

Вторая часть нашей диссертации сводится к описанию результатов экспериментального изучения влияния условий, при которых вибрирует струна, на величину коэффициента теплоотдачи Л,.

Перейдем к изложению содержания всех глав нашей работы.

Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертационной работы, цели исследования, изложению основных новых результатов, полученных автором и списку положений, выносимых им на защиту, кратко сообщается'о теоретической ценности диссертации и о практическом значении полученных впервые соискателем теплофизи-ческих сведений о возможностях интенсификации теплоотдачи при естественной конвекции.

Глава 1 посвящена обзору отечественной и зарубежной литературы, относящейся к проблеме теплопереноса от твердотельного нагревателя к жидкой или газовой среде в условиях естественной конвекции.

Параграф 1 главы посвящен современным представлениям о коэффициенте теплоотдачи X , его физической сущности, о связи коэффициента и толщиной теплового пограничного слоя.

В параграфе 2 подробно рассматриваются температурные волны, скорость их проникновения в сплошную среду, глубина проникновения как функция частоты термических осцилляций и коэффициента температуропроводности среды.

В параграфе 3 кратко излагается теория подобия при конвективном теплообмене.

Параграф 4 посвящен основам теории колебаний - вынужденных, автоколебаний и параметрическим. Это связано с одной из главных идей работы - возбудить механические вибрации тонкого нагревателя, вследствие чего увеличивается значение коэффициента теплоотдачи с/ .

В параграфе 5 подробно рассматриваются известные из специальной литературы особенности термомеханических колебаний и механизмы их параметрического возбуждения.

Параграф 6 посвящен обобщению известных из литературы данных о зависимости теплообмена от вибраций нагревателя.

Во второй главе, посвященной описанию "Экспериментальной методики изучения коэффициента теплоотдачи при вибрациях нагревателя", сперва (11) излагается сущность использованной в работе экспериментальной методики, где в качестве тонкого нагревателя применялись медная проволока различных длин и диаметров. Струна была натянута вертикально, верхний конец ее закреплялся неподвижно к стальному кронштейну, расположенному на расстоянии 0,5 м от стены. Нижний конец струны, пройущенный черев свободно вращающийся блок, установленный на подшипниках, прикреплялся к подвижному сердечнику мощного электромагнита.

Между верхним кронштейном и блоком располагался подвижной кронштейн, позволяющий изменять длину струны в широких пределах. (В различных сериях опытов длина струны варьировалась от 1,2 м до 4,2 м).

Зажимное устройство состояло из стального болта со сквозным отверстием, через которое пропускался конец струны и радиальным стопором. Зажимное устройство крепилось на кронштейне и подвижном сердечнике при помоши гайки. На кронштейне был смонтирован микрометрический червячный механизм, позволивший плавно менять натяжение струны (о при при неизменной ее длине 1.

Т.к. одним из элементов эксперимента было определение влияния модуляций колебательных параметров на величину коэффициента теплоотдачи вибрирующей струны, нами был установлен фотометрический датчик (фотоэлемент), экранированный от посторонних источников света. Используемым же источником света служила лампа накаливания с горизонтальной нитью, поток излучения от которой фокусировался системой цилиндрических линз и зеркал, позволявших сформировать узкий световой пучок большой интенсивности.

Датчик и источник света можно было перемещать в пространстве, что позволяло регистрировать положение струны в любой момент при различных амплитудах ее колебаний.

В качестве регистрирующего прибора применялся двухлучевой электронный осциллограф С1-93, на один из входов которого подавались сигналы от датчика; второй вход использовался для регистрации температуры. Это позволило с большой точностью определять амплитуду колебаний струны.

Частотой колебаний струны мы управляли плавно меняя частоту внешнего воздействия.

В целом мы стремились к получению значительных амплитуд, ис-

пользуя явление обычного резонанса. (Для этого вблизи струны располагался электромагнит питаемый П-образным импульсным током, частоту которых можно было мйнять. Добиваясь равенства этой частоты и собственной частоты Ш). колебаний струны, мы получали резонансное усиление колебаний.

Для разогрева проволоки к ней подводилось регулируемое напряжение от стабилизированного выпрямителя.

Что касается температурных измерений, то был выбран метод термометра сопротивления (бифилярно намотанная проволока О, мм). Термометр был проградуирован, точность измерения составляла 0,5к. Параллельно термометру сопротивления для подавления высокочастотной наводки подключался емкостный фильтр, температура окружающего воздуха измерялась ртутным термометром с точностью 0,1к. Экспериментальная установка позволяла одновременно регистрировать значения амплитуды и частоты колебаний, мгновенные значения температуры центральной части вибрирующей струны.

В параграфе 2 описана методика экспериментов по изменению величины амплитуды <Л колебаний' и влияния аУ на коэффициент .

Были применены способы вынужденных колебаний, параметрического возбуждения колебаний, термопараметрические колебания и суперпозиция колебаний. Вся эта совокупность методов позволила расширить интервал значении , которые влияли на величину коэффициента Л.

Принципиальные проблемы возбуждения интенсивных колебаний в вертикально натянутой струне будут рассмотрены в заключительной части автореферата.

В параграфе 3 кратко излагается применявшаяся соискателем математико-статии*.веская обработка полученных результатов многочисленных экспериментальных измерений физических величин - темпе-

ратуры осциллирующей струны, амплитуды, этих осцилляций, частоты вибраций, теплового потока, температурного напора и, наконец, коэффициента теплоотдачи Л .

Рассматриваются причины возникновения погрешностей при опытных измерениях - систематических и случайных. Вводятся общеприня-

УЧ

тые в теории ошибок понятия - математического ожидания М (среднее) , квадратичное отклонение О" (стандарт), дисперсия 3), доверительный интервал, надежность, знакомит с методом Стьюдента.

В третьей главе "Экспериментальное исследование влияния вибраций нагревателя на величину коэффициента теплоотдачи" излагаются основные опытные результаты, полученные соискателем.

Эта глава состоит из теоретического введения и шести параграфов.

В параграфе 1 мы пытаемся в общем виде решить задачу об охлаждении тонкого бесконечного цилиндра, полагая, что в начальный момент времени -¿=0 температура цилиндра является функций только радиуса что касается граничного условия, то делается

предположение о равенстве нулю температуры на поверхности цилиндр* ти-о.

Из условий симметрии ясно, что тепло распространяется ради-ально, так что температура в последующие моменты является функций

г И 4 : г= .

Уравнения теплопроводности в цилиндрической системе принима-

1 „ 94 Эе* * » 9а.

Решая его методом разделения переменных

Т(^) - Ф^-Ги)

легко находим:

97

где - функция Бесселя нулевого порядка.

Ограничиваясь первым членом ряда Фурье-Бесселя, получаем окончательно ^.^г-

■ Оценив теперь разности температур в поперечном сечении применяв-

тонкой пластины и их влияний на ламинарную конвекцию. Предполагается, что пластину окружает жидкость определенной температуры, а скорость движения пластины 1Л-ЛшИпио1.

В результате получается сложное выражение

Его анализ показывает, что в отличие от стационарного случая движения жидкости в пограничном слое происходит'как под действием гравитационных сил, так и под действием подъемных массовых сил, вызванных колебаниями. Градиент давления, вызванный вибрацией стенки, меняется вдоль пограничного слоя.

Параграф 3 посвящен уже непосредственным экспериментам по установлению зависимости глоффициента от амплитуды поперечных колебаний вертш^ьной электрической струны. Опыты проводились со струнами различной длины , т.к. амплитуда средней точкиХахПри

. шихся наш тонких проводов. Оказалось, что указанные разности столь ничтожны, что ими можно пренебречь.

В параграфе 2 рассматривается задача о поперечных колебаниях

- 17 -

прочих равных условиях является функцией параметра

Указанные опыты проводились отдельными сериями, в каждой из которых поддерживались неизменными - частота вибраций и), тепловой потоку, температурный напор а также длина к, диаметр/¿и материал проволоки.

Результаты этих опытов представлены в ряде графиков, приведенных в диссертации. Несколько таких графиков изображены на рис.1.

Качественно сущность большого множества графиков взаимосвязи Х- ¿(Л) при прочих разных условиях сводится к следующему - вначале, при малыха/, кривая идет практически линейно с весьма незначительным подъемом; так продолжается до некоторой "критической" амплитуды о/ , начиная с которой кривая орезко возрастает, приблизительно по параболическому закону.

Критическая амплитуда«^ в свою очередь линейно растет с величиной теплового потока ^ , и несколько слабее увеличивается с утолщением проволоки.

Параграф 4 посвящен опытам по изучению зависимости коэффициента от частоты поперечных колебаний вертикальной струны.

В этих опытах необходимо было поддерживать величину амплитуды колебаний неизменной. С другой стороны, чтобы увеличить собственную частоту колебаний струны, необходимо увеличить ее натяжение (о , а это приводит к уменьшению амплитуды при остальных неизменных условиях. Однако специальной методикой удалось эту трудность преодолеть. Результаты экспериментов представлены в диссертации рядом графиков. Их типичный ход изображен на рис.2. Здесь опыты также проводились сериями, в которых поддерживались неизменными тепловые потоки $ .

Качественно характер зависимости Х- можно сформулировать

так: сперва с ростом частоты вибраций о)коэффициент теплоотдачи X быстро возрастает, так продолжается до некоторого критического значения и)*, после которого дальнейшее увеличение частоты не приводит к дальнейшему росту коэффициента , который далее остается неизменным.

Сама критическая частота растет с температурным напором, как это ясно видно из рис.2.

Некоторый рост и)* наблюдается также при увеличении амплитуды А поперечных колебаний обогреваемой струны. Графики хода о1{ио) для различных тепловых потоков приведены в диссертации на рис.13, 14, 15.

В параграфе 5 излагаются результаты экспериментов по установлению функциональной зависимости коэффициента теплоотдачи X от произведения чЛш . Смысл этого исследования состоит в том, что указанное произведение амплитуды на частоту осцилляций струны характеризует скорость точек нагревателя относительно окружающей среды. Ведь согласно общей теории теплопередачи упомянутая скорость непосредственно влияет на толщину пограничного теплового слоя, а, значит и на коэффициент оС.

При проведении таких опытов мы натолкнулись на определенные технические трудности, которые удалось преодолеть (Подробнее об этом в тексте диссертации).

В этом параграфе приведен рис.16, на котором изображены графики зависимостей ¿1- для нескольких тепловых потоков <?,. При неизменном эти зависимости имеют явно линейный характер. Наоборот , при неизменном значении произведения коэффициент монотонно возрастает при увеличении теплового потока.

В последнем, шестом параграфе главы нами проведены экспериментальные исследования зависимости коэффициента аС от размеров и

материала струны и ее температурного режима. Из многочисленных опытов этого рода следует, что коэффициент теплоотдачи X от длины вибрирующей струны практические не зависит. Что касается роли ее диаметра , то оказалось, что при прочих равных условиях утолщение вибрирующей струны понимает коэффициент X .

Что касается зависимости </ от материала колеблющейся электрической струны, то из приведенных опытов следует, что практически коэффициент теплоотдачи X тем значительнее, чем большей теплопроводно- -ью обладает материал струны (при прочих одинаковых условиях). В частности, наибольшим коэффициентом среди разных проволок обладает медная.

В этом же параграфе излагаются результаты экспериментов по изучению зависимости коэффициента X от величины теплового потока q при неизменных прочих условиях.

Основной вывод сводится к тому, что с ростом ^ увеличивается коэффициент X, но прирост /X с величиной ср постепенно уменьшается. Аналогично ведет себя прирост 1Х с увеличением температурного напора л Т.

Численные значения величин, исследуемых в этом параграфе, сведены в таблицу и графики.

Далее в диссертации содержится крупное по размеру Заключение. В нем отмечается необходимость в экспериментальном исследовании на упрощенных моделях процессов теплообмена при нестационарных течениях, поскольку строгого решения системы уравнений Навье-Стокса не существует.

В связи с этим диссертационная работа посвящена, во-первых, опытному изучению особенностей теплоотдачи от простейшего типа нагревателя - тонкой проволоки, совершающей поперечные колебания и, во-вторых, разработке методики дистанционного управления про-

- аз -

цэссом тепдопереноса в удаленных и трудно доступных энергетических установках.

Для этой цели мы воспользовались для обогрева струны переменным или П-образным импульсным током, силой и частотой которого легко управлять. Затем нужно было разработать методику дистанционного возбуждения у струны поперечных колебаний различной интенсивности, тем самым позволяющую регулировать интенсивность теплоотдачи.

Обе эти проблемы удалось разрешить с помощью электрического возбуждения термомеханических колебаний струны, причем размахом этих колебаний можно параметрически управлять.

Практически оказалось наиболее эффективно использовать переменный П-образный импульсный ток. Подбирая соответствующие частотные условия (фазовые условия устанавливаются автоматически) в струне параметрически самовозбуждаются поперечные колебания, сопровождающиеся возрастанием коэффициента теплоотдачи с/.

Важно только, чтобы глубина модуляций натяжения струны, превосходило пороговое значение л (£>.

Во второй части данного исследования экспериментально исследовались влияния различных условий процесса вибраций тонкого нагревателя на величину коэффициента оС (амплитудыЛ, частоты «Л теплового потока температурного напора л Т, длины, толщины и материала проволоки и пр.).

В настоящей работе исследовались как правило низкочастотные осцилляции обогреваемой струны, т.к. при высокочастотных колебаниях толщина пограничного теплового слоя, а значит и коэффициент теплоотдачи сС не успевают реагировать на столь быстрое изменение скорости движения струны в воздушной среде. Следует еще заметить, что при наложении возмущений в виде колебаний на естественный

конвективный поток возникают термоакустические течения, образующиеся в результате взаимодействия вторичных вихревых течений и конвективного потока. Ясно, что здесь существенную роль играет взаимное расположение направления колебаний и потока конвекции. Поэтому мы струну расположили вертикально, ее поперечные колебания всегда направлены перпендикулярно к естественно конвективн^у потоку.

Основные результаты нашего исследования мы сформулировали в виде следующих выводов:

1. Для дистанционного управления интенсивностью теплообмена удобно применять тонкие нагреватели, способные совершать механические колебания в окружающей жидкой или газообразной среде.

2. Интенсивность теплоотдачи от тонкого вертикального цилиндра является сложной функцией частоты, амплитуды, теплового потока.

3. Заметное влияние на коэффициент теплоотдачи вертикального тела оказывает амплитуда вибраций , если таковая превышает некоторую критическую амплитуду зависящую от теплового потока.

4. На критическую амплитуду а/ влияет диаметр конвективного потока, определяемый условиями теплообмена.

5. Наибольший рост коэффициента теплоотдачи наблюдается в случае, если колебания нагретого тела происходят в плоскости, перпендикулярной конвективным потокам.

6. Коэффициент теплоотдачи растет с ростом частоты до достижения ей некоторого критического значения Ш* , определяемого тепловым потоком, с дальнейшим возрастанием частоты рост коэффициента теплоотдачи X замедляется.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. Несиа Е.И., Шаталов А.Ф., Кармацкий Н.Л. Особенности параметрического возбуждения термомеханических вибраций проволочного нагревателя // ИФЖ. Минск, 1992. - N 6.

2. Шаталов А.Ф., Кармацкий Н.П. Зависимость коэффициента теплоотдачи при конвекции от интенсивности термомеханических вибраций нагревателя // Научно-методические материалы / Ставропольское ВВАУЛШ. - Ставрополь, 1992.

3. Несис Е.И., Шаталов А.Ф., Кармацкий Н.П. Зависимость коэффициента теплоотдачи от амплитуды и частоты вибраций вертикального нагревателя // КОТ, 1994. - Т. 67.- N 1-2.

Рис.1

Рис.2