Пограничный слой с крупномасштабными структурами, с испарением и горением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Бояршинов Борис Фёдорович

ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ С КРУПНОМАСШТАБНЫМИ СТРУКТУРАМИ, С ИСПАРЕНИЕМ И ГОРЕНИЕМ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Новосибирск - 2007 .

003053715

Работа выполнена в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, член-корреспондент РАН

ПОЛЕЖАЕВ Юрий Васильевич

доктор технических наук, профессор

ТРЕТЬЯКОВ Павел Константинович

доктор физико-математических наук, профессор

ЯВОРСКИИ Николай Иванович

Ведущая организация: Московский государственный

технический университет им. Н.Э. Баумана

Защита состоится 28 марта 2007 г. в 9 час 30 мин, на заседании диссертационного совета Д 003.053.01 в Институте теплофизики СО РАН по адресу: 6300090, г. Новосибирск-90, проспект Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан " ¿3" 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.ф.-м.н. ¿^ЧЛ^У---- Кузнецов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В структуре энергобаланса наиболее развитых стран доля энергии от сжигания органического топлива достигает 90-95%. Ограниченность возможностей горения, привела к необходимости более глубокого изучения особенностей этого процесса.

Первый этап в ходе передачи энергии - это теплообмен химически реагирующих газов с поверхностью теплоприёмника, который происходит в пограничном слое. Знание закономерностей теплообмена при горении, механизмов эффективного воздействия на них, а также диапазона, в котором изменяется интенсивность процессов переноса, имеют значение при разработке перспективных аппаратов химического и энергетического машиностроения. Поэтому задача изучения форсированных процессов переноса в пограничном слое с горением является актуальной.

Логика развития теории пограничного слоя с последовательным усложнением объекта исследований требует рассмотреть ситуацию, когда одновременно действует целый комплекс возмущающих факторов. Среди них отрыв, ускорение (или торможение) газового потока, высокий уровень его турбулентности, наличие физико-химических превращений. В ходе изучения такого объекта можно ожидать проявления общих закономерностей, которые необходимы для анализа явлений тепломассообмена в сложных условиях.

Известны факты, объяснение которых в рамках существующей теории тепломассообмена вызывает затруднение. К их числу относится отсутствие подобия между тепло- и массообменом при испарении жидкостей, расслоение опытных данных в два три и более раз, которое отмечалось в опытах по теплообмену в соплах, проявление в потоках с развитым турбулентным течением особенностей, которые характерны для молекулярного переноса. Не решена проблема взаимодействия турбулентности и горения, неизвестен физический результат воздействия крупномасштабных структур на процессы переноса. В поле зрения исследователей постоянно остаются потоки с отрывом, с лами-нарно-турбулентным переходом в пограничном слое. Все эти вопросы затрагиваются в настоящей работе и определяют её актуальность. Их многообразие отражает свойства пограничного слоя с крупномасштабными тепловыми и газодинамическими возмущениями.

Течение с горением за преградой при высокой турбулентности набегающего потока сочетает в себе особенности реальных химически реагирующих газовых потоков и характеризуется следующими признаками:

1). Высокая амплитуда пульсаций параметров, которая сопоставима с их средними значениями. Средние значения изменяются в широком диапазоне и могут достигать пределов, в которых существует процесс. Тепломассоперенос по своей интенсивности приближается к максимальному уровню.

2). Отрыв потока, наличие областей рециркуляции и крупномасштабных структур, которое затрудняет эффективное применение вычислительных технологий.

3). Отсутствие подобия между распределением температуры, скорости и концентрации вещества, между переносом импульса и вещества.

4). Нет прямой связи между граничными условиями и параметрами газа в зоне горения, неопределённость физических границ в случае обтекания пористой поверхности.

5). Совместное действие нескольких осложняющих факторов (турбулиза-ция и ускорение, свободная и вынужденная конвекция и т.д.).

Использование численных методов для изучения таких течений не исключает экспериментальные исследования, как источник эмпирических данных для тестирования результатов расчёта. Поэтому проведение экспериментальных исследований оправдано, хотя сопряжено с необходимостью создания принципиально нового диагностического оборудования. Оно должно использоваться в химически агрессивных газовых потоках, не внося в них изменений, должно применяться при высокой температуре, обеспечивая высокое пространственное и временное разрешение.

Основная цель работы

— исследование пограничного слоя с крупномасштабными тепловыми и газодинамическими возмущениями, развитие физической модели течения и тепломассообмена в потоках с отрывом.

Основной акцент в работе делается на изучение воздействия крупномасштабных структур на процессы переноса.

Основные задачи

Для достижения основной цели работы решались следующие задачи:

1. Анализ состояния исследований пограничного слоя с испарением и горением. Наблюдение структур в пограничном слое с горением. Установление связи между наличием структур и проявлением особенностей процессов переноса. Поиск эффективных механизмов воздействия на крупномасштабные структуры с целью определения пределов их влияния на тепломассообмен.

2. Отработка методов регистрации результатов внешнего воздействия и получения количественной информации о свойствах крупномасштабных структур. Среди них зондовые методы измерений, а также методы измерений в сфокусированных лазерных пучках. Испытания аппаратуры на объектах с известными параметрами. Разработка экспериментальной установки для создания пограничного слоя с крупномасштабными структурами, с испарением и горением, которая способна адаптироваться к применению различных зондов и оптической аппаратуры.

3. Проведение систематических измерений параметров газа в реагирующем пограничном слое с использованием зондовых и оптических методов. В максимально возможном диапазоне изменения внешних газодинамических факторов получение базы опытных данных о структуре течения, о потоках тепла и вещества, о влиянии на них внешних возмущений (турбулизации, ускорения, зоны отрыва), о влиянии крупномасштабных структур на процессы переноса.

4. Выявление характерных особенностей пограничного слоя с крупномасштабными структурами с испарением и горением. Обобщение полученной информации в виде физической модели. Применение основных положений этой модели к проблемным случаям тепломассообмена при отсутствии горения.

Работа проводилась по координационным планам НИР Института теплофизики, при поддержке фонда Сорос-ННЦ на всех его этапах, при поддержке Сибирского отделения РАН (Интеграционный проект №28). В неё вошли некоторые результаты, полученные в ходе выполнения проектов Российского Фонда Фундаментальных исследований (Гранты №№ 93-02-14517, 96-0219418, 97-02-18520, 99-02-17171, 00-03-32429, 02-02-16170).

Объекты исследования

При проведении анализа известных опытных данных в качестве объектов исследования рассматривались ситуации с необычным проявлением тепломассообмена. Без горения - это пограничные слои с фазовыми превращениями (с испарением или сублимацией), с ускорением, с явно выраженным отрывом: встречный вдув пристенной струи, импактное взаимодействие струи с преградой, теплообмен за ребром и уступом, тепло- и массообмен при обтекании затупленной пластины, а также теплообмен на вогнутой стенке, теплообмен сверхзвукового потока со стенками конического сопла Лаваля.

Получены опытные данные для пограничного слоя при обтекании воздухом плоской стенки и в закрученном ограниченном потоке (трубка Ранка-Хилша).

В случае горения - это пограничные слои с фазовыми и химическими превращениями (в лабораторных условиях), на натурной котельной установке — теплообмен факелов газовых горелок.

При отработке методов измерений получены опытные данные для горения струи водорода в воздухе и в смеси с кислородом, для струи продуктов сгорания образца твёрдого ракетного топлива, а также для случая горения этанола, испаряющегося с поверхности сферы, моделирующей горение жидкой капли.

Наиболее полные экспериментальные данные накоплены для испарения и горения этанола в пограничном слое на плоской горизонтальной пластине за ребром переменной высоты, а также при наличии ускорения (или торможения) воздушного потока при повышенной его турбулентности.

Научная новизна

Впервые получены систематические экспериментальные данные о параметрах реагирующего пограничного слоя, которые включают в себя потоки вещества, распределение температур, скоростей и их пульсаций, данные о составе стабильных веществ и радикалов. Получен фактический материал о влиянии горения, турбулизации внешнего течения, его ускорения (или торможения) на структуру течения и тепломассообмен.

Получена эмпирическая зависимость для описания особенностей процессов переноса, обусловленных наличием крупномасштабных структур в пограничном слое. Получены опытные данные о диапазоне её применимости.

Предложены методы определения составляющих теплового потока при сложном теплообмене на испаряющейся поверхности, предложены методы определения коэффициентов переноса, в том числе, на поверхности пористого материала и в его объёме. Предложена оптическая схема КАРС-спектрометра для одновременного определения концентрации вещества и его температуры. Оригинальность этих решений подтверждена авторскими свидетельствами.

Достоверность

Достоверность результатов достигалась:

1). Выбором соответствующего объекта исследований (пограничный слой над испаряющейся поверхностью), у которого граничные условия первого рода при адиабатическом тепломассообмене консервативны к наличию в набегающем потоке газодинамических возмущений разного масштаба.

2). Сравнением собственных опытных данных с известными данными, которые были получены в сопоставимых условиях.

3). Учётом вклада, который привносят в общий поток тепла действующие механизмы переноса.

4). Калибровкой измерительной аппаратуры по эталонным объектам с известными параметрами.

5). Выбором режимов горения, а также областей течения, где применимость выбранных методов измерений доказана и не вызывает сомнений, анализом источников погрешностей.

6). Проверкой полученных данных на воспроизводимость.

Научная и практическая ценность

Развиты подходы к анализу известных опытных данных, которые показали реальный диапазон изменения интенсивности тепломассообмена. Сформулированы основные положения физической модели пограничного слоя в сложных условиях. Они позволили с единых позиций объяснить ряд проблемных случаев тепломассообмена.

Создана аппаратура, которая была применена в реагирующих турбулентных потоках со следующими параметрами: при давлении 4 МПа в химически агрессивной газовой среде при температуре 3100К и при сверхзвуковых скоростях движения. Она может быть использована для изучения процессов с характерным временем порядка 0,1 микросекунды и пространственным разрешением 0.1x0.1x1мм3.

Накоплена база опытных данных по распределению температур, скоростей, состава газов, тепловых и массовых потоков, которые получены в ходе систематических исследований пограничного слоя с испарением и горением. Она может использоваться для тестирования расчётных моделей.

Экспериментально установлены пределы изменения интенсивности процессов переноса, которые имеют значение при разработке и эксплуатации элементов энергетического оборудования.

Разработан способ определения коэффициентов переноса на поверхности пористого материала и в его объёме, способ определения компонентов теплового потока при сложном тепломассообмене. Предложен и апробирован вариант КАРС-спектрометра с наиболее эффективным использованием располагаемой энергии лазерного излучения. Полезность этих решений признана и зафиксирована в патентах.

На защиту выносятся

1. Результаты систематических экспериментальных исследований влияния турбулизации, ускорения (или торможения) на структуру течения и процессы переноса в пограничном слое с горением:

- метод определения составляющих теплового потока при сложном теплообмене на испаряющейся поверхности, метод определения коэффициентов переноса, в том числе, на поверхности пористого материала и в его объёме; схема КАРС-спектрометра и результаты его применения для одновременного определения концентрации вещества и его температуры в турбулентных реагирующих потоках;

- новые опытные данные о распределении скорости и температуры, а также данные о деформации их профилей под действием продольного градиента давления, о влиянии внешней турбулентности на изменение масштабов теплового и динамического пограничного слоя, о выполнении «тройной аналогии» Рейнольдса применительно к реагирующему течению;

- впервые полученные результаты, показывающие отдичия структуры зоны горения по модели фронта пламени от зоны горения в реальном пограничном слое, в котором области определения радикалов смещены относительно максимума температуры, изменился характер тепловыделения;

- данные о влиянии размеров преграды и внешней турбулентности на границы области существования пограничного слоя с горением; выводы о влиянии горения на пограничный слой: о ламинаризации массопереноса, о снижении коэффициентов переноса при вдуве горючего, о пределах изменения

7

тепломассообмена под действием внешних газодинамический возмущений.

2. Результаты экспериментальных исследований структуры течения и процессов переноса, положенные в основу физической модели пограничного слоя с крупномасштабными структурами:

- данные, подтверждающие наличие продольных и поперечных крупномасштабных структур в пограничном слое с горением;

- эмпирически установленная корреляция, описывающая особенности тепломассообмена при наличии крупномасштабных структур, а также результаты исследования диапазона её применения.

Личный вклад автора

Постановка задачи систематических исследований влияния на пограничный слой газодинамических возмущений разного масштаба выполнена вместе с Волчковым Э.П. Диссертантом сформулирована задача изучения крупномасштабных структур при горении, изучения их воздействия на процессы переноса.

Автору принадлежит основной вклад в создание экспериментальной установки с горением в пограничном слое, в исследовании её характеристик и адаптации к использованию различных зондовых и оптических методов измерений.

Автором проведена модернизация аппаратуры для газового анализа, отработана методика компенсации радиационных потерь термопар. Выполнен весь комплекс измерений тепловых и массовых потоков, структуры течения с использованием зондов, проведена обработка, анализ и обобщение данных, полученных в опытах с горением и без него.

Под руководством автора разработан метод измерений составляющих теплового потока, а также метод определения коэффициентов переноса, на которые получены авторские свидетельства [6,15].

Оптические измерения скалярных параметров (методы СКР, КАРС, ЛИФ) реализованы в результате совместной деятельности с С.Ю. Фёдоровым, который разработал систему сбора, хранения и обработки первичных данных оптических измерений. Вместе с ним создавалась оптическая схема и конструкция КАРС-спектрометра, на которую был получен патент [26], проведены исследования особенностей применения рэлеевского рассеяния в пламенах органических веществ, изучение возможностей измерения ЛИФ гидроксила, измерения температуры в струе продуктов горения твёрдого топлива при повышенном давлении. Вместе с ним и A.A. Волковым решена задача измерения корреляций, определения одновременно трёх параметров газа методом КАРС за один импульс лазерного излучения.

Вместе с В.И. Титковым отработаны методы использования аппаратуры ЛДА при измерениях скоростей газа в реагирующих потоках с высокой тур-

булентностью. С ним и с В.В. Лукашовым создана аппаратура для коррекции тепловой инерции термопары.

Вместе с С.Ю.Фёдоровым, А.А.Волковым и В.В.Лукашовым создан и от-калиброван радиометр, который был испытан на натурной котельной установке.

Апробация работы

Результаты работы содержатся в трудах Минских международных форумов по тепломассообмену (MIF-1 - MIF-5), в сборниках докладов Российской национальной конференции по тепломассообмену (РНКТ-1 - РНКТ-4), в трудах Второго международного симпозиума по теплообмену, горению и энергопотреблению, Пекин-1988, в материалах III и IV Международных конференций по структуре газофазных пламён (Алма-Ата-1989, Новосибирск-1992), Всесоюзного семинара «Теплообмен и теплофизические свойства пористых материалов» (Новосибирск-1991), Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск-1993), Четвёртой международной конференции по тепло- и массообмену (Брюссель-1997), в материалах IV Сибирского семинара «Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск-1997), Международного симпозиума «Актуальные проблемы физической гидроаэродинамики» (Новосибирск-1999), в трудах Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR-1996, ICMAR-2002, ICMAR-2004), Российско-Корейского симпозиума RUSKO-2001, в материалах Международного симпозиума по горению и загрязнению атмосферы ISCAP-2003 (Санкт-Петербург-2003), Международного симпозиума по неравновесным процессам, горению и загрязнению атмосферы NEPCAP-2005 (Дагомыс-2005), в трудах Тринадцатой Международной конференции по тепло- и массообмену IHTC-13 (Сидней-2006).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, не включая тезисы докладов. В их числе 28 статей в рецензируемых отечественных журналах и глава в книге «Законы горения». Тринадцать работ переведены и изданы на английском языке.

Работа выполнена в 1977-200бг. в лаборатории термохимической аэродинамики Института теплофизики СО РАН, руководимой член-корреспондентом РАН Волчковым Э.П.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх основных частей, в которых изложена суть работы, из дополнений и приложения. В ней 381 страница, 157 рисунков, 109 таблиц. Список литературы включает 260 наименований.

Содержание работы

Во введении дана краткая история развития взглядов на турбулентность. Отмечено, что классические опыты Скрэмстеда и Шубауэра, которые подтвердили закономерности развития собственных колебаний в пограничном слое и переход к турбулентному течению, были проведены при искусственно пониженной степени турбулентности. В атмосфере Земли, в реальных технических устройствах степень турбулентности газовых потоков, как правило, более высокая. Например, на входе в газовую турбину она составляет Ти0 = 2-^20%, пограничный слой находится в состоянии ламинарно-турбулентного перехода, который в присутствии замкнутого отрыва происходит без образования волн неустойчивости. Это байпасный переход, с проявлением особенностей которого связана настоящая работа.

При наличии горения в пограничном слое, когда вязкость газа возрастает, возрастает вероятность изменения режима течения и его смещения из турбулентной области в сравнительно малоизученную область ламинарно-турбулентного перехода. Практически все полученные в настоящей работе опытные данные о химически реагирующем течении относятся к переходной области.

Первая часть содержит анализ известных исследований пограничного слоя с крупномасштабными возмущениями, с испарением, с горением и без него. Он необходим для формулирования требований к диагностической аппаратуре, а также для уточнения программы систематических экспериментальных исследований реагирующего течения при внешнем газодинамическом воздействии. Представлен краткий обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований пограничного слоя с крупномасштабными структурами, с химическими и фазовыми превращениями.

На рис.1 показана схема течения в пограничном слое с горением вещества, поступающего со стенки. Она является общепринятой, представляет собой процесс, на котором основана современная энергетика - диффузионное горение конденсированного топлива. Горючее со стенки и окислитель из набегающего потока диффундируют навстречу друг другу. Их взаимодействие в пределах сдвигового слоя происходит в газовой фазе с бесконечно большой

Рис.1. Пограничный слой с химическими и фазовыми превращениями. Схема течения.

скоростью. В результате химического реагирования образуются высокотемпературные продукты сгорания, которые переносятся к стенке и в основной поток. Это основные положения модели «фронта пламени». Особенность процесса в том, что параметры газа в зоне химического реагирования не могут быть заданы граничными условиями.

Отмечено, что в случае отсутствия горения при исследовании испарения жидкостей длительное время существовала точка зрения о том, что интенсивность теплообмена на испаряющейся стенке выше, чем на сухой. Отсутствие аналогии неоднократно подтверждалось опытными данными, хотя уравнения, описывающие процесс испарения и безразмерные граничные условия задачи подобны.

В случае с горением на стенке в работах Волчкова, Синайко, Терехова вполне удовлетворительно описан тепломассообмен при выгорании графита, рис.2 слева. Рассматривался турбулентный пограничный слой с вдувом реагирующего вещества, а нагрев стенки в ходе химической реакции учитывалась фактором неизотермичностн. В отдельных случаях разброс данных превышал точность измерений, а их ход отклоняется от расчётного наклона.

В случае с горением в объёме пограничного слоя, т.е. при газофазном химическом реагировании, параметры в зоне горения зависят от скорости перемешивания компонентов, от теплообмена зоны горения со стенкой и ряда других факторов, которые затрудняют описание процесса.

Рис.2. Пограничный слой с горением. Слева массоперенос в опытах с гетерогенным выгоранием графитовой стенки: в каждом отдельном эксперименте ход опытных данных отличается от расчёта. Справа расхождение в оценке влияния различных факторов на теплопереиос в пограничном слое при газофазном горении (данные Беспалова, Ки1§ат, Сполдинга).

На рис.2 справа приведены литературные данные, относящиеся к экспериментальным исследованиям тепломассообмена в пограничном слое с газофазным

11

горением. Видно, что для одинаковых чисел Рейнольдса одни из них сближаются с расчётом для ламинарного, а другие - для турбулентного пограничного слоя. Результаты исследований значительно расходятся в оценке влияния вдува и горения на структуру течения и на процессы тепломассообмена. Вид критериев, используемый разными авторами, отличается между собой и не вытекает из дифференциальных уравнений переноса. Расхождение чисел Стантона может достигать порядка величины.

Известны наблюдения крупномасштабных структур при свободноконвек-тивном диффузионном горении (Orloff, de Ris 1971, 1972; Самсонов 1992), при горении газовых смесей (Маркштейн, 1949). Для случая отсутствия горения существует их классификация (Григорьев Ю.Н. 1993; Алексеенко, Окулов, Куйбин, 2003), разработаны методы расчёта, включая модели крупных вихрей (модель DES - Jovic, Driver, 1995), прямое численное моделирование (Спаларт, 1998, Липанов). Разработаны методы измерений, в том числе, с использованием фазового осреднения (Фернандес, Шторк, 2004). Но количественный результат воздействия крупномасштабных структур на поверхность, их влияние на тепломассообмен и трение, остаётся неизвестным. В работе Бродуэлла и Димотакиса (1987) отмечалась возможность «проявления механизмов молекулярного переноса в развитом турбулентном течении», если в нём присутствуют крупномасштабные структуры.

Эти моменты отражают состояние вопроса о пограничном слое с химическими и фазовыми превращениями до начала работы: нет единых подходов, противоречивы оценки влияния па тепломассообмен фазового перехода, вдува, горения и крупномасштабного движения.

В наших работах [3,5] показано, что причина расхождения расчётов и опытных данных по испарению без горения, связана со спецификой изучаемого процесса. В нём действующие тепловые потоки малы и сопоставимы с тепловым фоном экспериментальных установок. Исходя из подобия тепло- и массообмена, разработан способ определения составляющих теплового потока при сложном теплообмене [6,10], показана его применимость к анализу опытных данных. Показана применимость расчётов, использующих подобие, для определения оптимальных и экстремальных тепловых условий для биологических объектов [5], использующих испарительный механизм терморегуляции. Разработаны экспериментальные методы определения коэффициентов переноса, которые могут применяться при изучении процессов на поверхности и в объёме проницаемого материала [15]. Показано, что при адиабатическом испарении граничные условия первого рода консервативны к наличию газодинамических возмущений разного масштаба.

Нами в случае вдува газообразного горючего был проведён анализ процесса [1], отталкиваясь от обобщённых уравнений реагирующего пограничного слоя, приведённых к подобному виду, т.е. к форме, исключающей ис-точниковые члены. В качестве переменных использовались полные энталь-

пии и обобщённые концентрации химических элементов. Они определяют вид критериев Стантона, по которым судят о тепло- и массопереносе.

Используя такой подход, были выполнены расчёты, проведены сравнения с экспериментом, рис.3. Несмотря на сложное распределение локальных параметров в реагирующем пограничном слое, рис.1, профили обобщённых концентраций и химических энтальпий, рис.3 (слева), близки между собой. Здесь безразмерная энтальпия 0 = (Ь-И„)/(Ь0-кк), обобщённая концентрация химического элемента ср = (К-Кп)/(К0-Кк), толщина пограничного слоя ¿>=15 мм. Таким образом, «тройная аналогия» распределения параметров, характеризующих перенос импульса, вещества и энергии, выполняется в пограничном слое с горением.

Показано, что при исследовании влияния горения и вдува на процессы переноса численные и интегральные методы, дают близкие результаты. Относительная функция тепломассообмена и трения определялась с учётом изменения состава газов в зоне горючего и окислителя:

1 о.

я. Яс"

р0 С+Ь\0)

-с10-

1

рМ+Ь^)

-ав

На рис.3 (справа) линиями показан расчёт [1], который сопоставляется с результатами численного эксперимента [Волчков, Терехов, Терехов, 2002] (квадратики). Видно, что ¥<-0.1, т.е. вдув и горение на порядок снижают трение по сравнению со стандартным пограничным слоем.

Рис.3. Сопоставление результатов опытов и расчётных данных по структуре течения (слева) с горением на испаряющейся поверхности этанола: безразмерные скорости, энтальпии и атомарные концентрации. Справа расчёт влияния вдува и горения водорода на перенос импульса: трение в реагирующем пограничном слое снижается на порядок по отношению к данным для стандартного турбулентного пограничного слоя, где ХР=1.

В опытах с горением испаряющегося этанола на основании сопоставления данных по толщинам потери вещества и массовым потокам было показано, что вдув, как механизм массообмена, отсутствует. Поэтому в качестве основного критерия для оценки интенсивности массопереноса на испаряющейся поверхности принят критерий Стантона в общепринятом виде: 57</ = ^/р0и0(С„-С0).

На рис.4 тёмными кружочками показаны данные по массопереносу в пограничном слое за ребром высотой 3 мм при турбулентности набегающего потока 1%, полученные в диапазоне изменения его скорости, ограниченном срывом пламени. Светлые кружочки — опыты без горения. Видно, что наличие горения изменяет режим массопереноса, и опытные данные располагаются в переходной области (между линиями 4 и 1).

В результате проведённых исследований показано, что

1. В пограничном слое с газофазным горением выполняется подобие процессов переноса, если данные представлены в виде обобщённых параметров (безразмерная энтальпия и атомарная концентрация).

2. В случае горения водорода расчёт совпадает с известными данными Сполдинга (1966) и согласуется с результатами численного расчёта Волчкова Э.П., Терехова В.В. и Терехова В.И. (2002).

3. Характер изменения коэффициентов массопереноса по числам Рей-нольдса свидетельствует о ламинаризации пограничного слоя с газофазным горением. Интенсивность массообмена на испаряющейся поверхности с горением и без него - величины одного порядка.

Рис.4. Массоперенос на испаряющейся поверхности в отсутствии продольного градиента давления. Линии 1,2,3 соответствуют расчёту = ^•0.33211ех-0'58с-а66, где щ, = 1,2,3. Линия 4 - стандартный турбулентный пограничный слой, светлые кружочки — опыты без горения.

Известно, при ускорении пограничного слоя интенсивность переноса снижается. В наших опытах с горением и ускорением она не снизились, как ожидалось, наоборот, «аномально» выросла в два-, три и более раз [24,25], рис.4 (треугольники), возникло расслоение опытных данных.

При ускорении в пограничном слое стали видимыми крупномасштабные структуры. На фотографиях, рис.5, представлен вид сверху на пограничный слой с ускорением и горением за преградой. Пламя визуализирует неодно-

родности течения. За областью отрыва видно образование продольных структур. длима неоднородностей увеличивается вниз по потоку, дважды происходит их перестройка, рис.5 справа.

Выло показано, что в пограничном слое с горением за ребром образуются подковообразные структуры. Их головки удерживаются за преградой, а ножки располагаются вдоль канала. Картина течения не зависит от ориентации газового потока: она устойчиво воспроизводится на горизонтальной поверхности за препятствием. Она повторяется при горении за участком с поперечным вду-врм горючего, на вертикальной стенке в восходящем и нисходящем потоках. Дальнейшее фактически относится к пограничному слою с подковообразными структурами, которые в ходе развития разрушаются и образуются вновь.

Рис.5, Крупномасштабные структуры в пограничном слое с горением. Набегающий поток воздуха сверху вниз: (а) вертикальная стенка, (б) и (в) - эволюция пламени на горизонтальной поверхности при увеличении скорости. Рисунок (в) для 10 м/с и высоте ребра 3 мм, справа его дубликат с искусственно увеличенной контрастностью.

Из оценок [29], основанных на анализе решения уравнения нестационарной диффузии, следует, что воздействие крупномасштабных структур на мас-соперенос сопоставимо с воздействием самого пограничного слоя, в котором они развиваются. Минимальный уровень интенсивности массопереноса реализуется в ламинарном пограничном слое, где 5ЦЯе):=0,332Ке"Оз5с1Ш\ Степень расслоения у/р~ |Ж/„)К[ зависит от координат, в которых представлены опытные данные: в координатах 5/(Ке")=^,*'0,22(Ке**)"!5с"'''"' расслоение значительно возрастает, т.к. ц/р*=у/р, где у/,,*=(&/£/«) к с«».

Из рис.4 видно, что в широком интервале чисел Рейнольдса отличие от стандартного массоиереноса остаётся постоянным, затем происходит переход на следующий уровень интенсивности массообмена, причём в пределах погрешности измерений ^ = 2,3,4, соответственно, у/р*~4, 9, 16.

Тенденция к расслоению результатов опытов не зависит характера горения. На рис.6 в координатах у/ДЯс) представлены данные для газофазного горения этанола (тёмные точки) и для гетерогенного выгорания графита в опытах Волчкова и Синайко (светлые точки). В первом случае крупномасштабные структуры образованы за областью отрыва при обтекании ребра, в графитовом канале - как следствие специфического профилирования входа в него. Из опытных данных видна общая тенденция к развитию турбулентного пограничного слоя (1//р ~Ке0"' - наклонные линии), на фоне которой отмечаются особенности ламинаризованного массопереноса (горизонтальные уровни цгр ~ 2,3,4 и переходы между ними).

Рис.6. Влияние крупномасштабных структур на расслоение опытных данных в пограничном слое с горением. Линия 1 - из работы Волчкова, линия 2 — турбулентный пограничный слой.

По результатам анализа сформулирована г/ель работы, основной акцент в которой сделан на определении воздействия крупномасштабных структур на про11ессы переноса. Она может быть достигнута, если установить связь между особенностями в структуре течения и особеннностями тепломассообмена, если установлены пределы, в которых эта связь реализуется.

Чтобы изучить пределы, в которых тенденция к ламинаризации массопереноса существует, проведены оценки и выбор таких возмущающих факторов, которые имеют наибольшую интенсивность воздействия на пограничный слой и на структурные образования в нём. Рассматривались изменения скорости набегающего потока, амплитуда которых сопоставима со средними по длине канала значениями, а масштабы времени составляли примерно 0.05с (течение в сужающемся канале), 0.02с в опытах по моделированию воздействия когерентных структур циклическим щелевым вдувом (периодическое воздействие) и менее 0.001с в турбулентном потоке (апериодическое воздействие).

Показано [35,36], рис.7А, что область существования турбулизованного пограничного слоя с горением, ограничена. Скорость срыва пламени растёт с увеличением размеров преграды и снижается при повышении турбулентно-

16

сти набегающего потока. В пределах области существования пограничного слоя с горением массообмен, рис.7Б, не соответствует турбулентному переносу. Он проявляется, если турбулентность наибольшая (26%), а режим горения близок к режиму срыва пламени (светлые треугольники): при его ускорении числа снижаются (тёмные треугольники), как в известных случаях ускорения турбулентного течения.

Рис.7. Пределы пограничного слоя с горением. Слева показана скорость срыва пламени при турбулизации. Массоперенос для режимов, отмеченных светлыми точками, показан на правом рисунке. При турбулентности 26% массообмен соответствует турбулентному пограничному слою (треугольники).

При горении продольные структуры устойчивы и не разрушаются при поперечном циклическом вдуве. Полученные данные показали, что при внешнем газодинамическом воздействии под влиянием «когерентных структур» интенсивность массообмена изменяется в пределах 20%. Наиболее сильные изменения скорости выгорания (в 2-3 раза) соответствуют ускорению и турбулизации. Именно эти факторы выбраны для дальнейшего использования по программе систематических исследований пограничного слоя с горением при наличии внешних возмущений, которая составлена с учётом ограничений области допустимых режимов течения, рис.7А.

Данные о свойствах пограничного слоя с крупномасштабными структурами, с ускорением и горением учитывались при выборе экспериментальных методов и диагностических средств для выполнения программы систематических исследований. Измерительная аппаратура должна обеспечивать:

- высокое пространственное и временное разрешение при минимальных газодинамических возмущениях, вносимых в пограничный слой, возможность измерения корреляционных характеристик течения.

- возможность применения в химически агрессивных газовых потоках, параметры которых изменяются в широких пределах.

- возможность измерения комплекса локальных параметров, включая данные о температуре, скорости, составе газов, о тепловых и массовых потоках.

17

Вторая часть посвящена вопросам создания и применения аппаратуры для исследования реагирующих потоков с крупномасштабными структурами. Это и зондовые и оптические бесконтактные методы, среди которых радиометрия, а также методы измерений в сфокусированных лазерных пучках. Рассматриваются варианты реализации методов лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), рэлеевского рассеяния (РР), спонтанного комбинационного рассеяния (СКР), методов лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) и когерентного антистоксова рассеяния (КАРС), в том числе, при измерении пространственных и временных масштабов структурных образований.

Для термопарных измерений были развиты способы их применения, когда коррекция погрешностей, обусловленных радиационным теплообменом и тепловой инерцией зондов, происходит в ходе эксперимента. Модифицирован серийный газовый хроматограф. В нём для повышения точности измерений состава продуктов сгорания анализ семи веществ осуществляется за однократный изокинетический ввод пробы. Для раздельного измерения лучистой и конвективной составляющих теплового потока разработан простой радиометр, который апробирован в натурных экспериментах на ТЭЦ-2 г. Новосибирска.

На рис.8 (слева) показаны результаты применения термопарного зонда с коррекцией тепловой инерции. В спектре пульсаций температуры виден максимум на частоте ~150с"1. Он относится к внешней области пограничного слоя и свидетельствует о наличии в ней крупномасштабных структур.

Рис.8. Результаты испытаний термопары с коррекцией тепловой инерции (слева). Справа данные ЛДА: без горения (треугольники) и при горении (квадраты) в турбулизованном пограничном слое. Светлые точки соответствуют измерениям термопарой и трубкой Пито-Прандтля (Т+ТПП).

На рис.8 (справа) приведены профили скорости в пограничном слое с горением, без горения, в опытах с ЛДА, а также при использовании термопарных и пневматических измерений трубкой Пито-Прандтля [44]. Видно, что по данным контактных методов (Т+ТПП) скорость завышается на -30%.

Применению оптических средств диагностики предшествовали исследования энергетических и спектральных характеристик собственного излучения пламён водорода, пропан-бутана, этанола. Показано [44], что широкополосное излучение, которое было обнаружено в спиртовоздушном пламени, делает проблематичным применение метода СКР, сигнал которого на три порядка ниже фона. Сигнал сопоставимый с фоном достигается при рэлеевском рассеянии и в методах КАРС и ЛИФ. Именно эти методы использованы для измерений мгновенных параметров реагирующих потоков. Для их реализации может быть использована одна и та же техника на базе серийного лазера ЛЖИ-501.

При использовании ЛДА в потоках с горением [34,35], возникают дополнительные трудности, обусловленные возрастанием фонового свечения при введении частиц в пламя. В случае горения отношение сигнал/шум уменьшалось, это приводило к увеличению ошибки при определении степени турбулентности (Ти = у (г/')2 Шо) до ±20%. Точность измерения средней скорости

и была около 1%. Использование следящего фильтра в ЛДА имеет ряд особенностей, которые учитывались при проведении измерений. Точность определения среднеквадратичных пульсаций скорости («')" в опытах устанавливалась при сравнении с результатами термоанемометрических измерений.

На рис.9 (слева) показана схема рассеяния, которая использовалась в методах СКР, ЛИФ, а также при измерениях рэлеевского рассеяния (РР).

Scattered light

-

Laser beam Fuej^

: А). — ■— термопара

—□— рэлеевское

■ ! рассеяние

fir Tu=1%

• \ ck

i

..............

.-Л*

■ _ -----

400 800 1200 1600

T,K

Рис.9. Использование рэлеевского рассеяния для измерений пульсаций температуры. Схема установки (слева) и профили осреднённых температур, измеренных термопарой и полученных, применяя рэлеевское рассеяние.

Было показано, что в варианте измерений плотности методом рэлеевского рассеяния в ламинарных пламенах углеводородов (этанол и пропан-бутан)

19

можно выбрать ракурс, при котором влияние рассеяния Ми пренебрежимо мало. В турбулентном пламени этанола установлена область применения метода РР. Она ограничена внешней частью пограничного слоя, где нет сажеоб-разования, а температура ниже 1000К [43,44].

В турбулентном пламени этанола обнаружено, что результаты осреднения по ансамблю (по данным импульсных измерений РР) и по Фавру (термопарные измерения) могут отличаться на сотни градусов [48], если рассматривается внешняя область пограничного слоя, когда турбулентность внешнего течения 8%.

В опытах с ЛИФ ОН в линейном режиме измерены средние температуры в диффузионных спирто- и водородовоздушных пламенах, а также в кислород-водородном пламени, в том числе, в стехиометрическом [41]. Результаты согласуются с известными опытными данными и уточняют их.

В методе ЛИФ с насыщением [43,45-47] получены данные о мгновенных концентрациях гидроксила. На рис.10 представлены результаты измерений распределения гидроксила ОН в пламени этанола вблизи лобовой точки сферы диаметром 15 мм.

2,0

0,005 0,01 0,015

г

1,5

£

1,0

0,5

он

а)

А>

-'-ОН • Г,К;

-*■- сн

500 1000 1500 2000

Т,к

Рис.10. Ламинарное диффузионное горение испаряющегося этанола вблизи лобовой точки сферы. Область определения гидроксила ОН и радикала СН, измеренные ЛИФ, смещены относительно максимума температуры.

В методе КАРС, как и в других оптических методах, точность измерений прямо связана с энергией излучения [19]. Предложен и запатентован вариант схемы КАРС-спектрометра [26], в котором наиболее эффективно используется располагаемая мощность лазерной системы. Этот КАРС-спектрометр позволял за одну вспышку излучения (15нс) одновременно измерить температуру водорода, его концентрацию и, соответственно, взаимные корреляции пульсаций этих параметров. На базе этой же оптической схемы разработаны

её варианты для измерений характеристик крупномасштабных структур, т.е. пространственных корреляций и автокорреляций пульсаций концентрации водорода в струях [20,23,27].

Очевидно, что эти измерения возможны там, где есть водород. Для исследований воздушных пламён аппаратура доработана в энергетическом плане и была настроена на возбуждение и регистрацию КАРС-спектров азота. Азот, кроме воздушных пламён, присутствует в продуктах сгорания твёрдого ракетного топлива (ТТ). Измерения температуры газов в струе продуктов сгорания образца ТТ были проведены при давлении 40атм [37,38]. Полученные данные (температура -3100К, рис.11) использовались для верификации кинетических моделей в совместном проекте с ИХКиГ СО РАН, Новосибирск.

При возбуждении и регистрации вращательных КАРС-спектров азота создана методика одновременного определения нескольких скалярных параметров: температуры, давления, а также концентрации азота и кислорода за время одного импульса лазерного излучения (15нс). Подобные импульсные измерения необходимы в установках кратковременного действия, например, в гиперзвуковой аэродинамической трубе АТ-303 (ИТПМ СО РАН). Время её работы составляет ~0.1с, а скорость воздуха достигает 1-2 км/с. Предложенная методика апробирована в опытах с трубкой Ранка-Хилша [31,32]. Получены данные о полях температур и давлений внутри концентрированного вихря. Они согласуются с выводами Яворского (1997, 2001) с соавторами о том, что наибольшие градиенты параметров газа вблизи входа и выхода, а само течение неоднородно.

ы 'д^, 1

4000'

т, К

3000-

2000

1000

« * ......* 1.............. • Ч............................

1 • •

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

С

Рис.11. Схема измерений температуры методом КАРС при давлении 40 атм. 1- образец топлива, 2- струя продуктов сгорания. Справа - ход температуры на оси струи.

Таким образом, создан измерительный комплекс, применимый при исследовании турбулентных реагирующих течений, получены данные о его возможностях и ограничениях.

В третьей части приведены результаты совместного использования оптических методов измерений и традиционных средств диагностики в систематических экспериментальных исследованиях пограничного слоя. Рассматривалось влияние ускорения внешнего потока и его турбулизации на структуру течения и потоки вещества. Эти факторы, как было установлено, являются наиболее эффективными инструментами, изменяющими массоперенос и структуру течения. С их помощью моделировалось воздействие на пограничный слой газодинамических возмущений разного масштаба.

Рассматривался самоподдерживающийся процесс горения над поверхностью испаряющегося горючего в условиях близких к адиабатическим. В этом режиме концентрация этанола не зависит от газодинамической обстановки (от ускорения, от турбулизации), а критерии переноса Stj определяются наиболее надёжно с точностью не хуже 10%.

Исследования [33,35,36,40,42] проведены: для скоростей обтекания до 70м/с, высота преграды h изменялась в диапазоне 2-15мм, степень турбулентности составляла Ти,= 1 -26%, параметр ускорения достигал ÁM9-10"6. Полуугол раскрытия диффузора 0+90°. Наиболее полные данные получены для Ти0 = (1, 8, 18%) и К=(u/U■(dUJdx)=(^.5, 1, 5)-10"6 при í/o=10m/c и й=3мм.

Влияние турбулизации. На рис.12 показаны данные по массопереносу в пограничном слое, когда внешняя турбулентность увеличивается до 18% и возрастает высота препятствия до 15мм. Линиями 1 и 2 показаны стандартные закономерности массопереноса при ламинарном и турбулентном обтекании, линия 3 - обобщение [Ota, Nishiyama, 1987] для отрывных течений. Слева результаты опытов без горения, справа - числа Стантона в случае горения.

Рис.12. Влияние внешней турбулентности и высоты преграды на массоперенос в пограничном слое с химическими и фазовыми превращениями. Слева данные по испарению, справа - опыты с испарением и горением этанола.

Из рис.12 видно, что проявления особенностей массопереноса (уровни интенсивности и переходы между ними) не зависят от тепловыделения. Расслоение возрастает при интенсификации внутреннего вращения: чем выше ребро, тем сильнее расслоение. Этот вывод согласуется с результатами опытов Эпик Э.Я. без горения на затупленной пластине (1998), в которых турбулентность основного течения была значительно ниже: 0,2%.

В обоих случаях, рис.12, в конце канала диффузионные числа Стентона достигают значений, которые характерны для течений с отрывом, линия 3. Здесь расслоение на зависимости свойственные ламинарным течениям (SV-Re"0'3) происходит при внешней турбулентности 18%.

Ниже приводятся данные [47,48], отражающие влияние повышенной турбулентности на структуру пограничного слоя с горением.

Из рис. 13А видно, что с ростом турбулентности происходит увеличение размеров внешней части профиля температуры. Область максимальных температур приближается к стенке, Т„шх снижается. Влияние турбулизации на распределение гидроксила и распределение пульсаций скорости нелинейное. Видно, рис. 13В, что при увеличении турбулентности до 8% наибольшая концентрация ОН практически не меняется, затем резко снижается, если Ти0 достигает 18%. Амплитуда пульсаций скорости (рис.13 справа) при уменьшении турбулентности до 8% сохраняется и заметно уменьшается, если достигает

1000

Т,к

Концентрация ОН, 10 1/см

Ти ,%

т • А ) \ ' / -т- - 1 — •— - 8

\...........у........•..............А.................. ^ N 1 т '--Л - 18

С)

.............

0,0

0,2

Ти

Рис. 13. Влияние турбулизации на профили средней температуры (слева), концентрации ОН (в центре) и на распределение среднеквадратичных пульсаций скорости (справа). Стрелками показано положение максимума температуры.

Количественные данные, относящиеся к крупномасштабным структурам, получены при обработке профилей температуры, скорости, их пульсаций, а также концентрации гидроксила, которые были измерены с шагом по продольной координате Дг=32мм, рис.14. Стационарная последовательность неоднородно-стей течения в срединной плоскости канала У-Х свидетельствует о присутствии в пограничном слое за препятствием поперечных структур.

23

На рис. 14Л [47-49] представлено распределение пульсаций температуры {данные по методу рэлеевского рассеяния) и её средних значений, измеренных термопарой. Изотерма 1000К (пунктир) ограничивает область с сажеоб-разованием, изотерма 1500К — окрестность «фронта пламени». На рис.14В показано поле турбулентности и область максимальных температур {изотерма 1500К). Видно, что амплитуда пульсаций скорости наибольшая во «фронте штамени». Среднее течение представлено на рис.14С семейством кривых — линии тока (кг/м-с). Области серого цвета показывают распределение радикала ОН (х 10~'а, см*3}. Видно, что линии тока пересекают изотермы. Как и в ламинарном пограничном слое, область определения гидроксила смещена в сторону окислителя.

Продольные координаты неоднородностей, рис.14; полученные различными методами измерений, совпадают между собой и свидетельствуют о наличии в пограничном слое поперечных структур. Их свойства аналогичны областям присоединения: отмечается местное увеличение массопереноса, которое связано с повышенным уровнем турбулентности, с улучшением перемешивания и условий горения, что подтверждается локальным ростом концентрации гидроксила.

Рис. 14. Сопоставление полей температуры и её пульсаций в координатах У-Х. Область фронта пламени показана изотермой 1500К, пульсации температуры на рисунке (А) получены методом рэлеевского рассеяния. Геометрия поля турбулентности и области максимальных температур показана на рисунке (В). На рисунке (С) изображены линии тока, изолинии концентрации гидроксила (области серого цвета) и область максимальных температур.

Полученные данные относятся к течению с 7»0=8%, /?=3мм, ¡7„=!0м/с.

Продольные неоднородности более контрастно выделяются в ускоренном потоке, когда понижается подвижность крупномасштабных структур.

Влияние ускорения. Результаты обработки профилей, измеренных с шагом Лг-8мм на выходе из канала (скорость на входе в сужающийся канал

24

Ц^=4м/с, Тид= 1 %, Л=5 10'6) показаны па рис.15. Из рисунка 15 (4) видны особенности в тепловой структуре пограничного слоя. Они коррелируют с результатами измерений поперечной скорости (у=8мм), которые указывают на наличие продольных вихрей с встречным вращением. Такие вихри по данным Мак-кормака, Уилкера и Келхера (1970) вызывают ламинаризацию процессов переноса, когда на поверхности возникают участки, где

1

V,

У

м/с

Рис. 15. Неоднородности течения в плоскости У^. Вверху изотермы, внизу результаты прямых измерений поперечной скорости.

Наличие таких участков видно из данных по масс о пере носу в пограничном слое при турбулизации и ускорении, рис, 16.

Рис.16. Влияние ускорения на массоиеренос в пограничном слое с горением. Слева ускорение, условия опытов в таблице. Справа торможение (данные для углов раскрытия диффузора 4,5" и 8°). Линии 1 и 2 - расчёт для ламинарного и турбулентного пограничных слоев, линия 3 - обобщение Ота и Нишиямы.

Видно, что зависимость с удвоенной по отношению к ламинарному пограничному слою (Щ, =2) интенсивностью массопереноса консервативна к

—ар/<1х=о ■ а=4.5° * ц=8°

изменению внешних условий. Она характеризует устойчивость структуры течения и проявляется при наличии области отрыва в потоке с положительным (правый рисунок) и с отрицательным градиентами давления. При достижении параметра ускорения (рисунок слева) К>5-10"6 параметр расслоения начинает увеличиваться (у/р >2), интенсивность массопереноса достигает значений свойственных области присоединения, линия 3.

Поведение пограничного слоя при наличии турбулизации и ускорения показано на рис.17 в координатах у/р (Яе). Отмеченные особенности существуют на фоне общей тенденции к развитию турбулентного массопереноса. Это свойство байпасного ламинарно-турбулентного перехода, которое здесь проявляется в случае с горением и без него. Вместе с общей тенденцией к турбулизации процессов переноса (Л^Яе"0'2) происходит расслоение на дискретные уровни ламинаризованного массообмена ^Яе"0'5 ^=2,3,4). Специфическое ступенчатое расслоение результатов исследования массопереноса (рис.4, 6, 12, 16) объясняется совместным действием продольных и поперечных структур.

Этанол

и, Ти(%), К,'10е

• ю, 1, 0

-- ТигЬ.

-\/0)сЬк0У

о Графит

■ 50,8,0

•СКа-МэГ).

О 6, 1, 6,3

л 4, 1,6

д 4, 8, 5

□ 4, 18, 5

Рис.17. Диапазон изменения интенсивности массопереноса по результатам исследования пограничного слоя с горением в сложных условиях. Ось абсцисс соответствует стандартному ламинарному массопереносу, линия 2 - турбулентному.

Влияние продольного градиента давления на среднее движение показано на рисунке 18.

Видно, что область высоких температур (на рисунке справа её положение у/уг^) наиболее восприимчива к внешним газодинамическим возмущениям. Газ низкой плотности получает наибольшее ускорение, и в пограничном слое с градиентом давления йР/ск<0 образуется максимум в профиле скорости. Если ёР/с!х>0, возникает вогнутый участок в окрестности зоны горения. С увеличением турбулентности профиль скорости становится более заполненным.

Остальные первичные данные содержатся в Приложении, (более 8000 замеров). Они отражают взаимодействие конкурирующих процессов: турбулентность внешнего течения вызывает уменьшение градиентов по толщине пограничного слоя: ускорение - приводит к их увеличению, к образованию максимума в профиле скорости. Данные Приложения позволяют установить пределы взаимного влияния турбулизации и ускорения.

у/у/

Рис.18. Деформация профилей скорости в пограничном слое с положительным и отрицательным градиентом давления (при торможении и ускорении в расширяющемся или сужающемся канале). Турбулизация увеличивает «заполненность» профиля скорости (справа).

Сочетание результатов измерений полей температур, скоростей, а также состава газов впервые делает возможным определить ряд характеристик, относящихся к горению и газодинамике пограничного слоя. К их числу относятся интегральные толщины, функции тока, полнота сгорания, скорости образования веществ, скорость тепловыделения.

Полнота сгорания определена непосредственно по данным о массообмене и по структуре течения и [44]. Из рассмотрения баланса энергии в контрольном объеме количество тепла, которое реализуется в канале в результате горения ¡2, может быть получено из соотношения,

}у,(2-г)<к = | ри(СТ~срот )4у,

которое включает экспериментально определяемые параметры. Здесь: г - теплота испарения, л- - расстояние до сечения, в котором получены данные о р, Ц Т, и Ср . При расчёте р было принято, что молекулярный вес газовой смеси М ~ 29 слабо изменяется при у> у/, а теплоёмкость Ср (Т) линейно зависит от температуры [13]. Таким образом, на основании измерений

27

Т(х,у) и U(x,y) определяется полнота сгорания // = 0/0р. Здесь Ор - теплота полного сгорания этанола.

Изменение полноты сгорания показано на рис.19. Чёрные точки соответствуют режиму горения (ио = 10 м/с, Ти0 = 1 %, И = 3 мм, К = 0): вдали от входа в рабочий участок ;; ~ 0.4. Видно, что при ускорении потока в сужающемся канале, когда образуются продольные структуры, полнота сгорания снижается до 0.2. Турбулизация основного потока увеличивает этот параметр в 1.5 раза до ц ~ 0.65. С увеличением высоты преграды, когда за препятствием возникает рециркуляционная зона и улучшается перемешивание, полнота сгорания достигает единицы. Этот вывод, очевидно, может характеризовать область присоединения, как элемент поперечных структур.

с 0,2

к=о

— 7"и0=1%, Л=3мы

—Ти0=8°/ , h=3miy

• ти=гг-/

К=5 10

—о— Ти=\°/ ,Л=3ми

-о............ о

30Q w Х,мм

Рис.19. Полнота сгорания в пограничном слое при его ускорении итурбулизации.

Оценка величины источниковых членов уравнения диффузии показала, что скорость образования продуктов сгорания (воды, углекислого газа), за преградой изменяется не монотонно: в областях присоединения скорость горения близка к предельным значениям нормальной скорости горения перемешанной смеси. Таким образом, за преградой режим горения в ограниченных областях приближается к кинетическому режиму.

На рис. 20 показана оценка скорости тепловыделения, которая рассчитывалась, используя опытные данные, подставленные в правую часть уравнения энергии

ВТ

дТ

ß = 8 / ду(-рср T,U) + W0 = CppU — + CppV — - — - ах су ду

Л-

дТ

Из рисунка 20 видно, что при турбулизации пограничного слоя горение скорее объёмное, чем фронтальное. Вблизи «фронта пламени» скорость тепловыделения близка к нулю. Максимум температуры разделяет две области, в которых происходит теплообмен со стенкой и теплообмен с набегающим потоком. Таким образом, положение максимума температуры зависит от процессов переноса. Известная модель «фронта пламени» теплообмен не учитывает: температура при горении близка к адиабатической, она наибольшая в зоне превращений, где радикалы.

Рис.20. Теплообмен в объёме реагирующего пограничного слоя. Видно, что при удалении от входа в канал во «фронте пламени» (показан стрелками) тепловыделение практически отсутствует О—>0.

-100

100 200

300

0,кВт/м

Интегральные характеристики течения рассчитывались, с привлечением данных о полях температур, скоростей и состава газов. Процессы переноса импульса и вещества в ускоренном пограничном слое не подобны. По массо-переносу нельзя судить о трении. Величина трения оценивалась по интегральным толщинам пограничного слоя, используя вывод работы [13] о том, что молекулярный вес газовой смеси по толщине пограничного слоя изменяется слабо.

2 с1х иос!х

Из рис.21 (слева) видно, что при внешней турбулизации ускоренного течения толщина вытеснения <5* значительно превосходит толщину потери импульса. Таким образом, трение в сильной степени зависит от величины второго члена интегрального соотношения, рис.21 (справа).

«о ■Со"

30 25 20 15 10 5

.........,г ■ : :

■ ; ¿Г**

- "Н----

К=0,5 10 .

Ти,.%

а-18

18

-- -расчёт

I

3' +

*

«а

И о"

10"

1 . 1...................

' Ти,% К=10"* : _и_1 :--»-8 -А-18 К=0 " о 1 ; -о-в ___

............._ ! ----- 2

100

200

300

Х,мм

10"

10=

10°

Рис.21. Влияние ускорения и турбулизации на перенос импульса в пограничном слое с испарением и горением. Слева - рост толщины вытеснения. Споава изменение второго члена интегоального соотношения импульсов.

Видно, что в ускоренном потоке с дополнительной турбулизацией величина Су/2 может достигать несколько процентов от скоростного напора.

Эрозия поверхности пористых пластин в конце канала, которая наблюдалась в опытах, подтверждает вывод о возрастании трения в ускоренном потоке с горением.

Наряду с интегральными толщинами в работе использован расчёт функций тока, ц/ = |pUdy , по которым определялись линии тока у/ = const, как

с»

характеристики среднего движения в пограничном слое в экстремальных условиях, рис, I4C. Показано, что линии тока пересекают изотерму Тпшх при наличии и при отсутствии ускорения в пограничном слое. Этот результат, а также данные рис. 10, 19, 20 показывают отличия свойств турбулизовэнного течения от положении, которые приняты в модели «фронта пламени».

Полученные экспериментальные данные о структуре и процессах переноса в пограничном слое с горением и без горения при ускорении (торможении) и турбулизации течения па качественном уровне обобщены в виде физической модели [47-49], Она не противоречит известным знаниям о тепломассообмене и особенностях течения за областью отрыва. В соответствии с ней за препятствием образуется последовательность поперечных структур аналогичных областям присоединения, между которыми области с крупномасштабными продольными парными вихрями. В областях присоединения ступенчатое возрастание тепломассообмена, продольные структуры вызывают ламинаризацию массопереноса.

Такая модель соответствует опытным данным и наблюдениям, она схематически представлена на рис.9, как сочетание поперечных и продольных неоднородностсй течения за преградой. Внешний вид пограничного слоя показан на рис.22. (В) - вид сбоку (для улучшения условий наблюдения областей присоединения высота ребра увеличена до 15 мм)- (С) - фотография, сделанная сверху, через прозрачную крышку капала. Продольные структуры при

яноЛ

Рис.22. Поперечные (В) и продольные структуры (С) в пограничном слое с горением Этанола в сложных условиях.

На рис,22В видна последовательность областей присоединения, на рисунках 22С п 5в (справа) видны продольные структуры и область их перестроения за ребром.

В дополнении показано, что эти выводы не зависят от наличия или отсутствия в пограничном слое химических превращений. Рассматривались особенности процессов переноса в известных течениях без горения, в которых крупномасштабные структуры присутствуют в явном виде. Анализ проводился в координатах Stc{Re) и S/(Re ) с использованием сетки, построенной увеличением интенсивности St0 в два, три и т.д. раз. Такая сетка дополнена зависимостью для «стандартного» турбулентного тепломассопереноса и включает в себя обобщение [Ota, Nishiyama, 1987],

Stm =0.192 Re^"5 Pr"2'3, которое описывает тепломассоперенос в области присоединения потока за преградой.

Исходя из данных рис.6, предложено эмпирическое соотношение для описания расслоения [29], т.е. для описания влияния крупномасштабных структур на процессы переноса.

St(Rex) = y/pSto(Rex), где St„ = 0.332Re;"5 Sc~ir'

или S^Re") = ys2rSt„(Re"), где St0 = 0.22(Re**)"'&:""3, a ^=1,2,3...

На рис.23 показаны примеры описания «непредсказуемого» поведения пограничного слоя в условиях байпасного ламинарно-турбулентного перехода (Эпик, Юшина, 1998) и результатов «взаимодействия сильного акустического поля с турбулентным пограничным слоем» (Зайковский, Трофимов, 1996). С усилением вращения расслоение усугубляется, рис.23 (слева), сжимаемость не влияет на образование крупномасштабных структур (рис. 23 справа).

Рис.23. Расслоение данных по теплообмену в опытах с затупленной пластиной (Эпик, Юшина, 1998) - (слева) и в коническом сопле Лаваля (Зайковский, Трофимов, 1996) - (справа). Числа Стентона в координатах Й^е**) расслаиваются по квадратам целых чисел (слева). Уровни ламинаризованного теплообмена отмечаются в «сверхзвуковой» области течения.

На рис.24 (слева) в качестве примера показаны данные Ярыгиной и Терехова по теплообмену за ребром. Видно, что в пограничном слое существуют участки, в пределах которых отличие от стандартного ламинарного течения Й0(11е), линия 1, сохраняется постоянным. Вследствие этой особенности происходит расслоение опытных данных с образованием уровней интенсивности массопереноса и переходов между ними.

На рис.24 (справа) показан параметр расслоения (//ДЯе), который получен в различных ситуациях при исследовании форсированного тепло- и массооб-мена. Здесь эксперименты с крупномасштабными вихрями Тейлора-Гёртлера на вогнутой стенке (Маккормак Уилкер, Келхер). Анализировались данные по теплообмену на затупленной пластине (Эпик Э.Я., Ота, Кон), по массопе-реносу при сублимации нафталина (Хванг). Рассматривались опыты по мас-сообмену в случае взаимодействия импактной струи с плоскостью (Кумада). В этом же ряду работы по течениям с отрывом: выполненные Низовцевым исследования с пристенным вдувом встречной струи, данные Ярыгиной и Терехова по теплообмену за ребром и обратным уступом, по теплообмену стекающей плёнки жидкости, в которой также наблюдались подковообразные структуры (Чиннов, Кабов).

У

р

МакКормак Низовцев Кумада (импак) Ярыгина (Змм) Ота-Кон (8.7м/с) Кабов-Чиннов

♦ •• ^

V'

10

ю4

10

Re

10"

Рис.24. Влияние крупномасштабных структур на теплообмен в пограничном слое без горения. Слева теплообмен за ребром. На рисунке справа показаны фрагменты данных по параметру расслоения y/pfReJ в опытах с форсированным тепломассообменом. Ось абсцисс соответствует ламинарному пограничному слою, линия 2 - турбулентному, 3 - обобщение Ota, Nishíyama (1987) для области отрыва.

Рассмотренные результаты экспериментальных исследований объединяет наличие области замкнутого отрыва, искривление линий тока и значительное расслоение опытных данных на уровни ламинаризованного тепломассообмена с переходами между ними. Это даёт основание для вывода о том, что причина расслоения - это крупномасштабные структуры. С другой стороны, признаком наличия структур и результатом их воздействия на процессы переноса являются ступенчатые изменения интенсивности, расслоение опытных данных, образование уровней ламинаризованного тепломассообмена.

Причина возникновения крупномасштабных структур - наличие вращения (криволинейного движения) в начале пограничного слоя и медленная релаксация энергии вращения при движении вниз по потоку.

Количественные данные, на которых основан материал диссертации, содержатся в Приложении, включающем результаты измерений.

Основные результаты исследований и выводы

1. Создана аппаратура для изучения химически агрессивных реагирующих потоков. Она испытана в среде с давлением 4МПа, с температурой 3100К при сверхзвуковых скоростях движения (характерное время измерений 20 наносекунд, пространственное разрешение 0,1х0,1х1мм^).

Исследованы возможности применения различных зондовых и оптических методов (ЛДА, РР, СКР, КАРС, ЛИФ) при исследовании структуры реагирующих течений. Показаны особенности и ограничения в применении оптических методов измерений в сфокусированных лазерных пучках при исследовании таких газовых потоков.

Предложены и реализованы методы измерения пространственных и временных корреляций, способ определения одновременно трёх локальных параметров (концентрации, температуры и давления) за один импульс лазерного излучения.

Разработан способ определения коэффициентов переноса на поверхности пористого материала и в его объёме, а также способ определения компонентов теплового потока при сложном тепломассообмене. С его помощью показано, что процессы переноса тепла и вещества прн испарении подобны.

2. Получены систематические экспериментальные данные о пограничном слое с горением в сложных условиях, о влиянии на тепломассообмен ускорения потока и его турбулизации, о взаимодействии турбулентности и горения. Они включает в себя результаты измерений потоков вещества, распределение температур, скоростей и их пульсаций, данные о составе стабильных веществ и радикалов.

Показано, что вдув п горение на порядок снижают трение и тепломасо-обмен по сравнению со стандартным пограничным слоем. В экспериментах получено подтверждение выполнения «тройной» аналогии Рейнольдса. Показано, что горение вызывает ламинаризацию процессов переноса.

Получены данные о пределах, в которых существует горение в турбули-зованном пограничном слое. Скорость срыва пламени значительно снижается при увеличении степени турбулентности основного потока. Показано, что турбулентный массоперенос не является типичным процессом для пограничного слоя с диффузионным горением. Диапазон изменения величины коэффициентов переноса (с горением и без него) ограничен - от значений в стандартном ламинарном слое до уровня, свойственного течениям с отрывом.

При отсутствии продольного градиента давления показано, что коэффициенты массопереноса на испаряющейся поверхности с горением и без горения близки между собой. Их различие в основном обусловлено особенностями массопереноса в переходном режиме течения.

При отрицательном продольном градиенте давления и повышенной турбулентности внешнего течения интегральные масштабы пограничного слоя с горением существенно отличаются от масштабов не реагирующего

34

течения. Толщина вытеснения превышает толщину потери импульса более, чем на порядок. Перенос импульса сопровождается повышением трения в десятки раз.

В канале с положительным продольным градиентом давления. Тенденция к ламинаризации массопереноса сохраняется для всех углов раскрытия. При торможении и ускорении пограничного слоя наибольшее изменение скорости происходит вблизи фронта пламени. При ускорении образуется локальный максимум в профиле скорости, который исчезает с увеличением турбулентности внешнего течения. Массообмен консервативен к турбулизации основного потока.

Показаны отличия реатьной структуры турбулизованного реагирующего течения от модели «фронта пламени». Области определения радикалов не совпадают между собой и с положением максимума температуры, линии тока пересекают область максимальных температур, положение которой определяется теплообменом в объёме пограничного слоя и на стенке. Вблизи области отрыва скорость реагирования близка к нормальной скорости горения, с удалением от препятствия она снижается.

3. Определён результат воздействия крупномасштабных структур на обтекаемую поверхность. Наличие структур в пограничном слое вызывает повторяющуюся ламинаризацию течения, которая происходит на фоне общей тенденции к развитию турбулентного тепломассообмена.

Обоснована физическая модель течения и тепломассообмена за областью рециркуляции. Установлено, что за препятствием на расстоянии нескольких десятков его высот возникают области повторного присоединения (поперечные структуры). В них повышен уровень интенсивности процессов переноса, пульсаций скорости, температуры и концентрации гидроксила. Между областями присоединения продольные вихри, которые вызывают ламинаризацию процессов переноса.

Крупномасштабные структуры, с которыми связано расслоение опытных данных на уровни ламинаризованного массопереноса, существуют при Яе-Ю6. Показана применимость эмпирического соотношения Л,/ = ¥^-0,332КеЛ"° ^с"2^,

= 1,2,3, ... для описания особенностей массообмена в пограничном слое с крупномасштабными структурами. Полнота сгорания увеличивается в поперечных структурах (областях присоединения) и снижается в продольных образованиях.

С позт/ий этой модели проанализированы различные проблемные случаи взаимодействия потока с поверхностью. Предложено общее объяснение особенностей тепломассообмена, которые проявились в них.

Показано, что расслоение на уровни ламинаризованного массообмена проявляется в пограничном слое без горения: в случае взаимодействия импактной струи с преградой, в задачах о теплообмене за ребром и уступом и т.д. Расслоение сохраняется при Яе-Ю7. Общим свойством в рассмотренных ситуациях является наличие области искривления линий тока и отрыва.

35

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И., Шутов С.А. Турбулентный пограничный слой со вдувом реагирующих веществ // Физика горения и взрыва. №6. 1981. С.21-28.

2. Бояршинов Б.Ф., Григорьева Т.С., Рудницкий A.JL, Пузырев JI.H. Универсальная оптико-механическая система для измерений в сфокусированных пучках // Сб.: Оптические методы исследования газовых потоков. Минск, 1981.

3. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Конвективный тепломассообмен при испарении жидкости в газовый поток // Известия СО АН СССР, №16, Сер. техн. наук, вып.З, 1985, с. 13-22.

4. Boyarshinov В.F., Volchkov Е.Р., Terekhov V.I. Flow structure and Heat transfer in a boundary layer with ethanol combustion // Flame Structure. Nauka, Novosibirsk, 1986, Vol.1, pp.141-146.

5. Бояршинов Б.Ф., Терехов В.И. О соотношении тепловых потоков на поверхности при наличии фазового перехода // Известия СО АН СССР, №4, Сер. техн. наук, вып.1, 1986, с.25-31.

6. А.с. 1270588 СССР, кл-G-Ol К 17/02 Способ определения составляющих теплового потока и устройство для его осуществления / Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И., Титков В.И. // Открытия. Изобретения.- 1986. №42.

7. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Структура течения и тепломассообмен в пограничном слое с фронтом горения // Процессы переноса в одно- и двухфазных средах. Новосибирск, 1986, с.88-97.

8. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Экспериментальное исследование структуры реагирующего пограничного слоя // В кн. "Структура газофазных пламён", Новосибирск, 1988, с.239-250.

9. Boyarshinov B.F., Volchkov Е.Р., Terekhov V.I. Flow structure and heat and Mass Transfer in boundary layer at ethanol evaporation and combustion. // Proc. 2-nd Symp. Heat Transfer, Combustion and Energy Utilization, 1988, Beijing, vol. 1, p. 312-318.

10. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Моисеенко B.B., Терехов В.И. Теп-ломассоперенос в пограничном слое при испарении и горении этанола // Тепломассообмен - ММФ, Минск. 1988, т. 3, с. 30-32.

11. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Тепломассообмен при испарении жидкостей в газовый поток // Russ. J. of Eng. Termophysics, 1990.

12. Boyarshinov B.F., Volchkov E.P., Terekhov V.I. Heat and mass transfer with liquid evaporation into gas flow// Russ. J. of Eng. Termophysics, 1991, No 1, pp.93-112.

13. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Структура пограничного слоя со вдувом и горением этанола // Физика горения и взрыва. №3. 1992. С.29-36.

14. Береснев А.П., Бояршинов Б.Ф. О механизмах переноса тепла в пограничном слое с химическими превращениями // Тепломассообмен- ММФ- 92, II Минский международный форум, Минск, 1992, т.З, с.93-96

15. Патент 2003076 RU, CI, G01 J 3/44 , Способ определения коэффициентов массопереноса и устройство для его осуществления / .Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Моисеенко В.В. Терехов В.И., 15.11.93. Бюл.6.

16. Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., Волков A.A. Использование КАРС-спектрометра для одновременных измерений температур и концентраций в водородо-воздушных пламенах // Физика горения и взрыва. №5. 1993. С.34-37.

17. Beresnev А.P., Boyarshinov В.F. Heat Transfer in a Boundary Layer with Chemical Transformations // Heat Transfer Research, Vol.25, No3, 1993. P.380-383.

18. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Тепло- и массообмен в пограничном слое при испарении и горении этанола // Физика горения и взрыва. №1. 1994. С.8-15.

19. Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., Волков A.A. Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния на вращательных переходах водорода // Приборы и техника эксперимента, 1994, №1. С.153-158.

20. Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., Волков A.A. Измерение корреляционных характеристик затопленной струи по комбинационному рассеянию света // Приборы и техника эксперимента, 1994, №5, с.110-116.

21. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Лукашов В.В. Воздействие горения на теплообмен в пограничном слое // Тр. Первой Российской нац. конф. по теплообмену. Т.З. Тепломассообмен при химических превращениях. М.: МЭИ, 1994. С.36-41.

22. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Экспериментальное исследование структуры течения и тепломассообмена при испарении и горении этанола // Тр. Первой Российской нац. конф. по теплообмену. Т.З. Тепломассообмен при химических превращениях. М.: МЭИ, 1994. С.42-46.

23. Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., Волков A.A. КАРС-измерения корреляций скалярных параметров в водородной струе и пламени // Тр. Первой Российской нац. конф. по теплообмену. Т.З. Тепломассообмен при химических превращениях. М.: МЭИ, 1994. С.47-52.

24. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Лукашов В.В. Теплообмен в ускоренном реагирующем пограничном слое // Докл. РАН. Т.350. №6. 1996. С.763-765.

25. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Лукашов В.В. Тепломассообмен в пограничном слое с ускорением и горением // Тепломассообмен.- Минский международный форум, ММФ-96, т.З, с. 13-17.

26.Патент 2055328 RU, CI, G01 J 3/44, Спектрометр когерентного анти-стоксова рассеяния для одновременных измерений мгновенных температур и концентраций вещества / Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., 27.02.96. Бюл.6.

27. Boyarshinov B.F., Volkov А.А., Fedorov S.Yu. Gas flow correlation characteristics measurement by CARS technique // Proc. Int. Conf. on the methods of Aerophysical Reaserch, Novosibirsk, 1996, Part 1, pp.62-66.

28. Boyarshinov B.F., Volchkov E.P., Lukashov V.V. Heat and Mass Transfer in a Boundary Layer with Combustion and Pressure Gradient // Proc. 4th World Conf. On Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Brussel, 1997, Vol.4, pp.2505-2510.

29. Бояршинов Б.Ф. К анализу опытных данных по тепло- и массообмену в пограничном слое // Физика горения и взрыва. 1998. Т. 34, № 2. С. 73-81.

30. Бояршинов Б.Ф. Исследование причин немонотонного изменения интенсивности процессов переноса в пограничном слое // Тр. Второй Российской нац. конф. по теплообмену. Т.2. Вынужденная конвекция однофазной жидкости. М.: МЭИ, 1998. С.66-69.

31. Boyarshinov B.F., Fedorov S.Yu., Volkov A.A. CARS-measurements in Ranque-Hilsh's vortex tube // Proc. 9th Int. Conf. on the Methods of Aerophysics Reaserch, 29June-3July 1998, Novosibirsk, Russia, Part 1, p.36-40.

32. Бояршинов Б.Ф., Фёдоров С.Ю. Измерение параметров вихревого потока методом когерентного антистоксова рассеяния света // Приборы и техника эксперимента, 1999, №6, с.95-99.

33. Бояршинов Б.Ф. Некоторые особенности тепло- и массопереноса при обтекании поверхности воздушным потоком // Прикл. механика и техн. физика, 2000, т.41, №4, с. 124-130.

34. Бояршинов Б.Ф. Тепломассообмен в пограничном слое слое при испарении и горении этанола в турбулизованном воздушном потоке // Тр. IV Минского международного форума "Тепломассообмен ММФ-2000", 22-26 мая 2000 г. Т.1, Конвективный тепломассообмен, Минск, 2000. С.361-364.

35. Бояршинов Б.Ф., Титков В.И. Влияние турбулентности набегающего потока на структуру пограничного слоя с диффузионным горением этанола // Прикладная механика и техническая физика, 2001, т.42, №6, с.55-63.

36. Boyarshinov B.F.,Titkov V.I. Flow structure and mass transfer in a turbu-lized boundary layer with diffusion combustion // Proc. 1th Russian Korean International Symposium on Applied Mechanics "RUSSKO-AM-2001", October 2-4, NSTU, Novosibirsk, 2001, p.137-140.

37. Бояршинов Б.Ф., Фёдоров С.Ю. Измерение температуры горения твердого топлива методом КАРС // Прикладная механика и техническая физика, 2002, т.43, №6, с.170-175.

38. В.F.Boyarshinov, S.Yu.Fedorov (Kutateladze Institute ofThermophysics SB RAS, Novosibirsk, Russia) Method CARS for measurement of high pressure

Условные обозначения Д30356"07 ^ ВВЕДЕНИЕ

А). К истории развития теории турбулентности

Б). Общая характеристика работы 17 ЧАСТЬ 1. ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ С ХИМИЧЕСКИМИ И ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ

Глава 1. Состояние проблемы

1.1. Результаты опытов по испарению воды.

1.2. Пограничный слой с гетерогенным горением

1.3. Пограничный слой с вдувом реагирующих веществ

1.4. Пограничный слой с переменной плотностью газа

1.4.1. На вертикальной стенке

1.4.2. На горизонтальной поверхности

1.5. Свободная конвекция при горении, краткий обзор

1.6. О проявлении крупномасштабных структур в процессах переноса 43 Обсуадение, выводы

Глава 2. Результаты экспериментальных исследований тепломассообмена при горении в пограничном слое.

2.1. «Тройная» аналогия процессов переноса.

2.2. Газофазное горение. Относительная функция тепломассообмена

2.3. Наблюдение структур в пламёнах.

2.3.1. Горение газовых смесей

2.3.2. Диффузионное горение при смешанной конвекции

2.3.3. Диффузионное горение на горизонтальной стенке

2.3.4. Пламя во вращающемся потоке 67 Обсуждение, выводы

Глава 3. Анализ новых опытных данных.

3.1. Оценка влияния крупномасштабных структур на процессы переноса

Выводы

3.2. Выбор критериев. Механизмы массопереноса при испарении и горении этанола.

3.3. Массоперенос при фазовых превращениях без горения.

3.3.1. Испарение воды

3.3.2. Коэффициенты переноса в пористых материалах

3.3.3. Массоперенос при испарении этанола без горения

3.3.4. Устойчивость расслоения к воздействию продольного градиента давления. Оценка масштабов структур

3.4. Массоперенос в пограничном слое с горением.

3.4.1. Свободно-конвективный массоперенос при испарении и горении спиртов на вертикальной стенке

3.4.2. Массоперенос при гетерогенном горении 91 Выводы

Глава 4. Горение: устойчивость крупномасштабных структур к внешнему воздействию

4.1. Горение с ускорением в сужающемся канале. Предварительные опыты.

4.2. Турбулизация ускоренного пограничного слоя с горением.

4.3. Моделирование массопереноса при наличии когерентных структур

4.4. Ускорение пограничного слоя с когерентными структурами

4.5. Влияние способа стабилизация пламени на тепломассообмен в пограничном слое с горением 101 Заключение. 102 ВЫВОДЫ 104 ЧАСТЬ 2. АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ С ГОРЕНИЕМ.

Глава 5. Зондовые методы измерений.

5.1. Определение концентрации стабильных веществ. Хроматография.

5.2. Зондовые измерения температуры.

5.2.1. Коррекция потерь на излучение.

5.2.2. Коррекция тепловой инерции термопары.

5.2.3. Методика настройки аппаратуры. 118 5.3. Измерение составляющих сложного теплообмена. Радиометр.

Глава 6. Методы оптических измерений в сфокусированных лазерных пучках.

6.1. Введение.

6.2. Краткие характеристики оптических методов измерений.

6.2.1. ЛДА.

6.2.2. Рэлеевское рассеяние.

6.2.3. СКР.

6.2.4. КАРС.

6.2.5. ЛИФ.

Глава 7. Отработка методов оптических измерений. Результаты испытаний.

7.1. Лазерный доплеровский анемометр со следящим фильтром.

7.2. Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния на вращательных переходах водорода.

7.3. Измерение корреляционных характеристик затопленной струи по комбинационному рассеянию света.

7.3.1. Измерение пространственных корреляций.

7.3.2. Измерение временных корреляций.

7.4. Измерение параметров потока в вихревой трубке Ранка-Хилша методом КАРС.

7.4.1. Экспериментальная установка.

7.4.2. Результаты измерений.

7.5. Измерение температуры горения твердого топлива методом КАРС.

7.5.1. Схема эксперимента.

7.5.2. Результаты измерений.

7.6. Измерение методом ЛИФ температуры и концентрации радикала ОН при горении водорода и этанола.

7.6.1. Объекты исследования.

7.6.2. Измерения температуры.

7.6.3. Измерения концентрации.

7.6.3.1. В линейном режиме.

7.6.3.2. В режиме насыщения.

7.7. Флуоресценция радикала СИ.

7.8. Оценка расхождений между осреднёнными и импульсными измерениями. 191 Выводы 192 ЧАСТЬ 3. ТУРБУЛИЗОВАННЫЙ ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ

С ГОРЕНИЕМ И ПРОДОЛЬНЫМ ГРАДИЕНТОМ ДАВЛЕНИЯ

Глава 8. Пограничный слой с горением без ускорения.

8.1. Влияние турбулизации на массообмен.

8.1.1. Установка и методика измерений.

8.1.2. Результаты экспериментов.

8.1.3. Интерпретация результатов.

8.2. Влияние турбулизации на структуру течения.

8.2.1. Аппаратура.

8.2.2. Результаты экспериментов и их обсуждение.

8.2.3. Источниковые члены.

8.2.4. Обсуждение. Зона горения. Выводы.

Глава 9. Пограничный слой с ускорением.

9.1. Введение

9.1.1. Нереагирующий пограничный слой.

9.1.2. Реагирующий пограничный слой.

9.2. Расширяющийся канал

9.2.1. Аппаратура, способ представления результатов.

9.2.2. Опыты по испарению со стенки диффузора без горения.

9.2.3. Зависимость скорости выгорания от угла раскрытия диффузора. Связь скорости выгорания и структуры потока.

9.2.4. Изменение скорости выгорания по длине канала.

9.2.5. Сопоставление данных по массопереносу в диффузоре в случае испарения без горения и с горением. 236 Выводы.

9.3. Сужающийся канал.

9.3.1. Структура течения - первичные данные.

9.3.1.1. Тепловая структура.

9.3.1.2. Динамическая структура. 242 Обсуждение.

9.3.2. Интегральные характеристики.

Замечание.

9.3.2.1. Функции тока.

9.3.2.2. Полнота сгорания.

9.3.2.3. Интегральные толщины пограничного слоя.

9.3.2.4. Оценка внешнего теплообмена. Толщина потери энергии

9.3.2.5. Оценка трения.

9.3.2.6. Влияние горения на общее сопротивление канала.

9.4. Крупномасштабные продольные структуры 254 Выводы по структуре пограничного слоя в сложных условиях

9.5. Массообмен в пограничном слое с горением

9.5.1. При отсутствии продольного градиента давления

9.5.2. Массообмен в случае ускорения течения 258 Выводы 259 ЧАСТЬ 4. ДОПОЛНЕНИЯ, ОБОБЩЕНИЯ

Глава 10. Пограничный слой без горения

10.1. Теплообмен при встречном вдуве пристенной струи

10.2. Теплообмен за ребром и уступом

10.3. Тепло- и массообмен при продольном обтекании затупленной пласти

10.4. Управление отрывом на толстой пластине

10.5. Теплообмена на внутренней поверхности конического сопла Лаваля

10.6. Теплообмен с вихрями Тейлора-Гёртлера

10.7. Массоперенос при взаимодействии импактной струи с преградой

10.8. Гидродинамика и теплообмен в капиллярных течениях

10.9. Распространение пламени по жидкости на металлической подложке

Обсуждение, выводы

А). К истории развития теории турбулентности. Обмен механической или тепловой энергией между газовым потоком и ограничивающими его стенками происходит в месте их непосредственного контакта, т.е. в пограничном слое. Физические процессы, происходящие в ламинарном и в турбулентном пограничных слоях, значительно отличаются. Поэтому важно знать границы, в пределах которых реализуются эти два режима, а также закономерности лами-нарно-турбулентного перехода, который имеет свои особенности в структуре течения и тепломассообмене.

О. Рейнольде в конце 19го века полагал, что причина перехода ламинарных течений в турбулентное состояние - их неустойчивость. Позже Тейлором сформулирована гипотеза, по которой переход вызывают пульсации внешнего потока, приводящие к локальным отрывам пограничного слоя и его турбулизации.

В начале 20го века, благодаря усилиям Рэлея, возникла теория гидродинамической устойчивости. Первые количественные результаты для ситуации, когда внешние возмущения отсутствуют, были получены в начале 30х годов Тол-лмином и Шлихтингом. В 40х годах Шубауэр и Скрэмстед впервые экспериментально обнаружили собственные колебания пограничного слоя, показали их роль в разрушении ламинарного режима.

При малой интенсивности внешних возмущений переход в турбулентное состояние включает этапы генерации волн, их усиления по законам линейной теории и нелинейного разрушения ламинарного пограничного слоя. Было установлено, для возникновения волны Толлмина-Шлихтинга необходимым является условие малой степени турбулентности набегающего потока Тщ<0.1% [.Качанов, Козлов, Левченко, 1987]. В работе [Поляков, 1979] показано, что при ещё меньшей турбулентности (Гмо~0.07%) увеличивается область, занятая ламинарным течением, а переходная область смещается вниз по потоку. Увеличение протяжённости ламинарного течения способствует уменьшению сопротивления трения тела, на поверхности которого развивается пограничный слой. Очевидно, что существуют пределы такого снижения.

Низкая турбулентность набегающего потока необходима для проведения исследований волновой структуры области перехода. В экспериментах она создаётся искусственно. Ожидалось, что такой низкий уровень турбулентности соответствует естественным условиям в атмосфере Земли. Однако, в реальных условиях полёта уровень турбулентности значительно выше, чем 7ио~0.1%. В работах [Занин, Козлов, Рыцарев, 1980; Довгаль,Занин, 1982; Занин, 1999] при использовании комплекса термоанемометрической аппаратуры, установленной на борту планера JI-13 «Бланик», было показано, что интенсивность естественной турбулентности колеблется в пределах 0,1-0,4%. Измерения турбулентных пульсаций проводились во время полётов на высотах от 100 до 1200 м. Интенсивность пульсаций на высотах ниже 100 м и в кучевых облаках возрастала до 1,5%. Показано, что «при полёте в сильно возмущённой атмосфере пульсации на ламинарном участке пограничного слоя крыла увеличиваются, но механизм перехода сохраняется прежний - через развитие пакета волн неустойчивости».

В технических устройствах степень турбулентности газовых потоков, как правило, высокая. Например, на входе в газовую турбину Ти0 = 2 -г 20 % [Turner, 1971]. При этом пограничный слой на значительной части поверхности ее лопаток (50 -f 80 %), обтекаемых продуктами сгорания, находится^ состоянии ламинарно-турбулентного перехода, который в присутствии замкнутого отрыва происходит без образования волн неустойчивости (Дыбан, Эпик, 1995]. Это так называемый байпасный переход. Исследование переходного течения при повышенной турбулентности составляет одну из задач настоящей работы.

Общее сопротивление летательного аппарата, кроме трения, включает в себя и другие виды сопротивления: лобовое, волновое и т. д., вклад которых значительно превосходит долю сопротивления трения. Однако, изучение трения позволяет судить о процессах переноса тепла и вещества, которые связаны между собой известными законами подобия. Внешние газодинамические возмущения не способствуют снижению сопротивления трения, - они интенсифицируют тепломассообмен. Важно знать не только пределы ослабления процессов переноса, но также пределы роста их интенсивности, знать свойства пограничного слоя при экстремальных значениях внешних параметров. Возможно, что в таких условиях существуют физические ограничения на дальнейшее увеличение тепломассообмена. Поэтому в настоящей работе анализируются потоки с химическими и фазовыми превращениями, с высокой внешней турбулентностью, с продольным градиентом давления, который вызывает ускорение или торможение пограничного слоя, рассматривается проблема отрывных течений. Исследуется структура потока и тепломассоперенос в сложных условиях, в том числе, при отсутствии горения.

Что может объединять импактные струи, стекающие плёнки жидкости, горение органического топлива с процессами, происходящими на поверхности крыла самолёта при критических углах атаки? Общим для них является крупномасштабное движение газа или жидкости, возникновение организованных структур, взаимодействующих с поверхностями, ограничивающими поток. Крупномасштабные структуры часто бывают невидимыми, а физический результат их воздействия на стенки канала в большинстве случаев неизвестен. Поэтому одна из основных задач настоящей работы состоит в том, чтобы определить закономерности взаимодействия крупномасштабных образований со стенками канала, создать физическую модель этого процесса.

Обзор, отражающий развитие взглядов на турбулентность и крупномасштабные структуры, приведён в работе [Кантуэлл, 1984]. Здесь краткие выдержки из него.

20-е, 30-е годы. Турбулентность - стохастическое явление. Широкий диапазон масштабов. Такой подход привёл к полуэмпирическим теориям Прандтля и Тейлора, в которых конвективные напряжения связаны со средним движением посредством использования длины пути смешения и эффективной турбулентной вязкости, введённой Буссинеском. Понятие вихря использовалось, но являлось по существу абстракцией.

В 1935 г. Работы Тейлора по изучению однородного изотропного поля турбулентности инициировали развитие статистической теории турбулентности, начало которой обычно связывается с работой Колмогорова [Колмогоров, 1941].

В 40-е годы статистическая теория турбулентности развивалась усилиями фон Вейцзекера, Коважного, Гейзенберга, Чандрасекара. Спектральный анализ привёл к выводу о том, что в изотропной турбулентности энергетическая структура не зависит от вязкости жидкости. Если число Re велико, то энергетический спектр не меняется, оставаясь подобным при любых значениях критерия. Зона генерации и диссипации по спектру сильно разнесены. Крупно- и мелкомасштабное движение связаны через каскадный механизм передачи энергии.

В 50-е Корзин и Таунсенд показали, что есть перемежаемость с ламинарными включениями. Формируется картина течения, объединяющая представления о ламинарном подслое и поле турбулентной жидкости, динамические характеристики которого аналогичны изотропной турбулентности.

В 60-е годы эксперименты показали, что процессы переноса осредняются большими вихрями, появление которых не является случайным. Их форма^раз-ная в разных типах течений. Позднее Таунсенд [Townsend, 1970] исследовал структуру парно крутящихся больших вихрей в обычном сдвиговом слое. ^

Эмпирическая информация о структурах получена из визуализации (пузырьки водорода, краска, теневые методы) и из термоанемометрических измерений. Основной метод исследования - метод корреляций. Он не даёт детальной картины течения, но можно получить строгие количественные оценки.

Re, г) = u^Oujix + ^t + r)

Пространственное разделение датчиков и временные задержки позволяют определить скорость движения структуры.

Фавр [Favre, Gaviglio, 1957] обнаружил, что максимальный коэффициент корреляции располагается на линиях, наклонённых к поверхности. Вдоль потока корреляции больше, чем поперёк. Блэквельдер и Экельман [Blackwelder, Eckelmann, 1979] показали, что интенсивность вихрей, ориентированных поперёк потока на порядок выше, чем вдоль. Продольный размер вихря Дх+ = Axu+/v

-1000. Трудности экспериментального исследования организованного движения состоят в его изоляции, его выделении и осреднении. Коулз и Баркер [Coles, Barker, 1975] создавали осреднённый турбулентный пограничный слой периодическим возмущением передней кромки. Это ламинарное течение с возмущениями при осреднении соответствовало турбулентному. При изучении турбулизованного пограничного слоя в переходном режиме течения в поздних работах Ванга и Жоу [Wang, Zhou, 1998] искусственное возмущение не вносится, а разделение турбулентной и ламинарной частей потока проводится по времени.

В опытах по визуализации пристенной области, проведенных Кляйном и соавторами [Kline, Reynolds, 1967] было показано, что пузырьки движутся по криволинейным траекториям струйками (stricks), в которых возбуждаются колебания, заканчивающиеся внезапным разрушением (birsting). Ким и соавторы [Kim, Kline, 1971] определили, что практически всё производство турбулентной энергии происходит в таких всплесках. Корино и Бродки [Corino, Brodkey, 1969] обнаружили явление сноса (sweep) - снос жидкости в область, где произошёл её выброс. Если по модели Прандтля считалось, что большая часть Рей-нольдсовых напряжений uv возникает на стадии подъёма низкоскоростной жидкости вверх, то Уилмар и Лю [Willmarth, Lu, 1972] показали, что наибольший вклад в uv появляется на стадии сноса.

Последующие работы направлены в основном на поиск источника крупномасштабного движения вблизи стенки, на установление связи внешней области с течением в пристенной его части. Коважный [Kovasznay, Kibens, 1970] показал, что завихренность разрывна, в то время как скорость непрерывна. Pao [Rao, Narasimha, 1971] наблюдал большие вихри, приводящие к тому, что медленно движущийся внутренний слой порождает пик турбулентности с интенсивными турбулентными напряжениями. Наиболее активна граница между турбулентным и не турбулентным течением. Характерный размер неоднородностей 3 S по потоку и S поперёк. Как и в трубах [Wygnanski, Champagne, 1973], на такой границе раздела степень турбулентности достигает -15%, что в 4-7 раз больше,

14 чем в центре сгустка, - это второй тип перемежающегося течения - клубы (риА). Корреляционные измерения позволили выявить направление максимальных корреляций р = 18°, определить скорость движения крупномасштабных образований.

Несмотря на нестыковки и противоречия, некоторые масштабы структур можно считать установленными: длина подслоя в продольном направлении А ~ ЮООгУм*; продольный размер вихря Ьх ~ (60-г 100)гУи*; расстояние, на котором сохраняется вихрь с большой энергией Х1 ~ 5Ъх\ угол максимальной корреляции /?= 18°; средняя скорость движения крупномасштабного вихря во внешней области (0.8-ь0.9)£/о; пульсационная скорость (и')2/и= 2,75.

Идеи и представления о турбулентности служат основой для развития теории процессов переноса. Вывод статистической теории о неизменности энергетического спектра при больших числах 11е оказались плодотворным при создании асимптотической теории тепломассообмена и трения в турбулентном пограничном слое с вырождающейся вязкостью, развитой в работе [Кутателадзе, Леонтьев, 1972]. При её использовании все особенности структуры учитывались единственной функцией, что позволяло значительно упростить уравнения пограничного слоя и получать аналитические решения для сравнительно сложных ситуаций.

В обзоре [Бродуэлл, Димотакис, 1987] авторы показывают невозможность объяснить ряд экспериментально обнаруженных фактов без учёта крупномасштабного движения. К числу его особенностей они относят

- сближение характерных масштабов структур и наибольших временных и пространственных масштабов данного потока;

- проявление механизмов молекулярного переноса даже в полностью развитых турбулентных течениях;

- проявление динамики крупномасштабных вихрей в процессах перемешивания.

Внедрение структур в методы инженерных расчётов происходит очень медленно. Нет теории, которая могла бы рассчитывать эти структуры, нет ответа на основной вопрос, каким образом крупномасштабное движение влияет на тепломассообмен. Нет физической модели, которая обобщила бы накопленный противоречивый экспериментальный материал, выходящий за рамки традиционных представлений о процессах переноса. Турбулентность остаётся главной неизученной проблемой классической физики.

Каков физический результат воздействия крупномасштабных структур на тепломассообмен?» На одном из семинаров, посвященных памяти С.С.Кутателадзе, этот вопрос А.И.Леонтьев задал Ю.Н.Григорьеву, выступившему с обзорным докладом по крупномасштабным структурам. Тогда ответа не было. Этот вопрос может послужить эпиграфом к настоящей работе.

Б). Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

В структуре энергобаланса наиболее развитых стран доля энергии от сжигания органического топлива достигает 90-95%. Ограниченность возможностей горения, привела к необходимости более глубокого изучения особенностей этог го процесса.

Первый этап в ходе передачи энергии - это теплообмен химически реагирующих газов с поверхностью теплоприёмника, который происходит в пограничном слое. Знание закономерностей теплообмена при горении, механизмов эффективного воздействия на них, а также диапазона, в котором изменяется интенсивность процессов переноса, имеют значение при разработке перспективных аппаратов химического и энергетического машиностроения. Поэтому задача изучения форсированных процессов переноса в пограничном слое с горением является актуальной.

Логика развития теории пограничного слоя с последовательным усложнением объекта исследований требует рассмотреть ситуацию, когда одновременно действует целый комплекс возмущающих факторов. Среди них отрыв, ускорение (или торможение) газового потока, высокий уровень его турбулентности, наличие физико-химических превращений. В ходе изучения такого объекта можно ожидать проявления наиболее общих закономерностей, которые необходимы для анализа явлений тепломассообмена в сложных условиях.

Известны факты, объяснение которых в рамках существующей теории тепломассообмена вызывает затруднение. К их числу относится отсутствие подобия между тепло- и массообменом при испарении жидкостей, расслоение опытных данных в два три и более раз, которое отмечалось в опытах по теплообмену в соплах, проявление в потоках с развитым турбулентным течением особенностей, которые характерны для молекулярного переноса. Не решена проблема взаимодействия турбулентности и горения, неизвестен физический результат воздействия крупномасштабных структур на процессы переноса. В поле зрения исследователей постоянно остаются потоки с отрывом, с ламинарно-турбулентным переходом в пограничном слое.

Все эти вопросы затрагиваются в настоящей работе и определяют её актуальность. Их многообразие отражает свойства пограничного слоя с крупномасштабными тепловыми и газодинамическими возмущениями. Течение с горени-» ем за преградой при высокой турбулентности набегающего потока сочетает в себе особенности реальных химически реагирующих газовых потоков и характеризуется следующими признаками:

1). Высокая амплитуда пульсаций параметров, которая сопоставима с их средними значениями. Средние значения изменяются в широком диапазоне и могут достигать пределов, в которых существует процесс. Тепломассоперенос по своей интенсивности приближается к максимальному уровню.

2). Отрыв потока, наличие областей рециркуляции и крупномасштабных структур, которое затрудняет эффективное применение вычислительных технологий.

3). Отсутствие подобия между распределением температуры, скорости и концентрации вещества, между переносом импульса и вещества.

4). Нет прямой связи между граничными условиями и параметрами газа в зоне горения, неопределённость физических границ в случае обтекания пористой поверхности.

5). Совместное действие нескольких осложняющих факторов (турбулизация и ускорение, свободная и вынужденная конвекция и т.д.).

Использование вычислительных технологий для изучения таких течений не исключает экспериментальные исследования, как источник эмпирических данных для тестирования результатов расчёта. Поэтому проведение экспериментальных исследований оправдано, хотя сопряжено с необходимостью создания принципиально нового диагностического оборудования. Оно должно использоваться в химически агрессивных газовых потоках, не внося в них изменений, должно применяться при высокой температуре, обеспечивая высокое пространственное и временное разрешение.

Основная цель работы

- исследование пограничного слоя с крупномасштабными тепловыми и газодинамическими возмущениями, развитие физической модели течения и тепломассообмена в потоках с отрывом.

Основной акцент в работе делается на изучение воздействия крупномасштабных структур на процессы переноса.

Основные задачи

Для достижения основной цели работы решались следующие задачи:

1. Анализ состояния исследований пограничного слоя с испарением и горением. Наблюдение структур в пограничном слое с горением. Установление связи между наличием структур и проявлением особенностей процессов переноса. Поиск эффективных механизмов воздействия на крупномасштабные структуры с целью определения пределов их влияния на тепломассообмен.

2. Отработка методов регистрации результатов внешнего воздействия и получения количественной информации о свойствах крупномасштабных структур. Среди них зондовые методы измерений, а также методы измерений в сфокусированных лазерных пучках. Испытания аппаратуры на объектах с известными параметрами. Разработка экспериментальной установки для создания пограничного слоя с крупномасштабными структурами, с испарением и горением, которая способна адаптироваться к применению различных зондов и оптической аппаратуры.

3. Проведение систематических измерений параметров газа в реагирующем пограничном слое с использованием зондовых и оптических методов. В максимально возможном диапазоне изменения внешних газодинамических факторов получение базы опытных данных о структуре течения, о потоках тепла и вещества, о влиянии на них внешних возмущений (турбулизации, ускорения, зоны отрыва), о влиянии крупномасштабных структур на процессы переноса.

4. Выявление общих особенностей пограничного слоя с крупномасштабными структурами с испарением и горением. Обобщение полученной информации в виде физической модели. Применение основных положений этой модели к проблемным случаям тепломассообмена при отсутствии горения.

Работа проводилась по координационным планам НИР Института теплофизики, при поддержке фонда Сорос-ННЦ на всех его этапах, при поддержке Сибирского отделения РАН (Интеграционный проект №28). В неё вошли некоторые результаты, полученные в ходе выполнения проектов Российского Фонда Фундаментальных исследований (Гранты №№ 93-02-14517, 96-02-19418, 97-0218520, 99-02-17171, 00-03-32429, 02-02-16170).

Объекты исследования

При проведении анализа известных опытных данных в качестве объектов исследования рассматривались ситуации с необычным проявлением тепломассообмена. Без горения - это пограничные слои с фазовыми превращениями (с испарением или сублимацией), с ускорением, с явно выраженным отрывом: встречный вдув пристенной струи, импактное взаимодействие струи с преградой, теплообмен за ребром и уступом, тепло- и массообмен при обтекании затупленной пластины, а также теплообмен на вогнутой стенке, теплообмен сверхзвукового потока со стенками конического сопла Лаваля.

Получены опытные данные для пограничного слоя при обтекании воздухом плоской стенки и в закрученном ограниченном потоке (трубка Ранка-Хилша). В случае горения - это пограничные слои с фазовыми и химическими превращениями (в лабораторных условиях), на натурной котельной установке - теплообмен факелов газовых горелок.

При отработке методов измерений получены опытные данные для горения струи водорода в воздухе и в смеси с кислородом, для струи продуктов сгорания образца твёрдого ракетного топлива, а также для случая горения этанола, испаряющегося с поверхности сферы, моделирующей горение жидкой капли. Наиболее полные экспериментальные данные накоплены для испарения и горения этанола в пограничном слое на плоской горизонтальной пластине за ребром переменной высоты, а также при наличии ускорения (или торможения) воздушного потока при повышенной его турбулентности.

Научная новизна

Впервые получены систематические экспериментальные данные о параметрах реагирующего пограничного слоя, которые включают в себя потоки вещества, распределение температур, скоростей и их пульсаций, данные о составе стабильных веществ и радикалов. Впервые получен фактический материал о влиянии горения, турбулизации внешнего течения, его ускорения (или торможения) на структуру течения и тепломассообмен.

Впервые получена эмпирическая зависимость для описания особенностей процессов переноса, обусловленных наличием крупномасштабных структур в пограничном слое. Впервые получены опытные данные о диапазоне её применимости.

Впервые предложены методы определения составляющих теплового потока при сложном теплообмене на испаряющейся поверхности, предложены методы определения коэффициентов переноса, в том числе, на поверхности пористого материала и в его объёме. Предложена оптическая схема КАРС-спектрометра для одновременного определения концентрации вещества и его температуры. Оригинальность этих решений подтверждена авторскими свидетельствами.

Достоверность

Достоверность результатов достигалась:

1). Выбором соответствующего объекта исследований (пограничный слой над испаряющейся поверхностью), у которого граничные условия первого рода при адиабатическом тепломассообмене консервативны к наличию газодинамических возмущений разного масштаба.

2). Сравнением собственных опытных данных с известными данными, которые были получены в сопоставимых условиях.

3). Благодаря анализу и учёту вклада, который привносят в общий поток тепла действующие механизмы переноса.

4). Благодаря калибровке измерительной аппаратуры по эталонным объектам с известными параметрами.

5). Исходя из анализа источников погрешностей, из выбора режимов горения, а также областей течения, где применимость выбранных методов измерений доказана и не вызывает сомнений.

6). Проверкой полученных данных на воспроизводимость.

Научная и практическая ценность

Развиты подходы к анализу известных опытных данных, которые показали реальный диапазон изменения интенсивности тепломассообмена. Сформулированы основные положения физической модели пограничного слоя в сложных условиях. Они позволили с единых позиций объяснить ряд проблемных случаев тепломассообмена.

Создана аппаратура, которая была применена в реагирующих турбулентных потоках со следующими параметрами: при давлении 4 МПа в химически агрессивной газовой среде при температуре 3100К и при сверхзвуковых скоростях движения. Она может быть использована для изучения процессов с характерным временем порядка 0,1 микросекунды и пространственным разрешением 0.1x0.1x1мм3.

Накоплена база опытных данных по распределению температур, скоростей, состава газов, тепловых и массовых потоков, которые получены в ходе систематических исследований пограничного слоя с испарением и горением. Она может использоваться для тестирования расчётных моделей.

Экспериментально установлены пределы изменения интенсивности процессов переноса, которые имеют значение при разработке и эксплуатации элементов энергетического оборудования.

Разработан способ определения коэффициентов переноса на поверхности пористого материала и в его объёме, способ определения компонентов теплового потока при сложном тепломассообмене. Предложен и апробирован вариант КАРС-спектрометра с наиболее эффективным использованием располагаемой энергии лазерного излучения. Полезность этих решений признана и зафиксирована в авторских свидетельствах.

Опытные данные о влиянии турбулизации, ускорения (или торможения) на структуру течения и процессы переноса в пограничном слое с горением.

Результаты экспериментов по структуре течения и процессом переноса, положенные в основу физической модели пограничного слоя с крупномасштабными структурами:

- данные, подтверждающие наличие продольных и поперечных крупномасштабных структур в пограничном слое с горением;

- эмпирически установленная корреляция, описывающая особенности тепломассообмена при наличии крупномасштабных структур, а также результаты исследования диапазона её применения.

Личный вклад автора

Диссертантом сформулирована задача изучения крупномасштабных структур при горении, изучения их воздействия на процессы переноса в пограничном слое, исследование влияния на пограничный слой газодинамических возмущений разного масштаба.

Автору принадлежит основной вклад в создание экспериментальной установки с горением в пограничном слое, в исследовании её характеристик и адаптации к использованию различных зондовых и оптических методов измерений.

Автором проведена модернизация аппаратуры для газового анализа, отработана методика компенсации радиационных потерь термопар. Выполнен весь комплекс измерений тепловых и массовых потоков, структуры течения с использованием зондов, проведена обработка, анализ и обобщение данных, полученных в опытах с горением и без него.

Под руководством автора разработан метод измерений составляющих теплового потока, а также метод определения коэффициентов переноса, на которые получены авторские свидетельства [6,15].

Оптические измерения скалярных параметров (методы СКР, КАРС, ЛИФ) реализованы в результате совместной работы с С.Ю. Фёдоровым, который разработал систему сбора, хранения и обработки первичных данных оптических измерений. Вместе с ним создавалась оптическая схема и конструкция КАРС-спектрометра, на которую был получен патент [26], проведены исследования особенностей применения рэлеевского рассеяния в пламенах органических веществ, изучение возможностей измерения ЛИФ гидроксила, измерения температуры в струе продуктов горения твёрдого топлива при повышенном давлении. Вместе с ним и A.A. Волковым решена задача измерения корреляций, определения одновременно трёх параметров газа методом КАРС за один импульс лазерного излучения.

Вместе с В.И. Титковым отработаны методы использования аппаратуры ЛДА при измерениях скоростей газа в реагирующих потоках с высокой турбулентностью. С ним и с В.В. Лукашовым создана аппаратура для коррекции тепловой инерции термопары.

Вместе с С.Ю.Фёдоровым, А.А.Волковым и В.В.Лукашовым создан и отка-либрован радиометр, который был испытан на натурной котельной установке.

Апробация работы

Результаты работы содержатся в трудах Минских международных форумов по тепломассообмену (MIF-1 - MIF-5), в сборниках докладов Российской национальной конференции по тепломассообмену (РНКТ-1 - РНКТ-3), в трудах Второго международного симпозиума по теплообмену, горению и энергопотреблению, Пекин-1988, в трудах Четвёртой международной конференции по тепло- и массообмену, Брюссель-1997, в трудах Международной конференции по методам аэрофизических измерений (ICMAR-1996, ICMAR-2002, ICMAR-2004), Российско-Корейского симпозиума RUSKO-2001, Международного симпозиума по горению и загрязнению атмосферы ISCAP-2003, Международного симпозиума по неравновесным процессам, горению и загрязнению атмосферы NEPCAP-2005.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, не считая тезисов докладов. В их числе 28 статей в рецензируемых отечественных журналах и

глава в книге «Законы горения». Тринадцать работ переведены и изданы на английском языке.

Работа выполнена в период 1977-2005 г. в Институте теплофизики СО РАН, в лаборатории термохимической аэродинамики, руководимой член-корр. РАН Волчковым Э.П. Традиционным направлением исследований, проводимых в лаборатории, является изучение процессов переноса в пограничном слое с химическими и фазовыми превращениями. В результатах опытов по испарению и горению этанола в пограничном слое был обнаружен значительный (в несколько раз) разброс экспериментальных данных. Поиск причин такого разброса стал основным побудительным мотивом для выполнения настоящей работы.

Диссертация состоит из введения, трёх основных частей, в которых изложена суть работы, из дополнения и приложений.

выводы

Таким образом, впервые получены систематические данные экспериментальных исследований о воздействии повышенной турбулентности и продольного градиента давления на реагирующий пограничный слой.

При отсутствии ускорения показано, что коэффициенты массопереноса на испаряющейся поверхности с горением и без горения близки между собой. Их различие обусловлено в основном особенностями массопереноса в переходном режиме течения. Крупномасштабные структуры, которые определяются как расслоение на уровни ламинаризованного массопереноса, устойчивы, они существуют при Яе~106. Показана применимость эмпирического соотношения Std- ^р0,332Кех"°'58с'2/3, ¥р = 1,2,3, . для описания особенностей массопереноса в пограничном слое с крупномасштабными структурами. Абсолютная величина коэффициентов переноса (с горением и без него) изменяется от значений в стандартном ламинарном слое до уровня, свойственного течениям с отрывом.

Полученные данные показывают, что структура турбулизованного пограничного слоя отличается от модели «фронта пламени». Области определения радикалов не совпадают между собой и с положением максимума температуры, линии тока пересекают область максимальных температур.

Впервые проведены оценки скоростей образования продуктов сгорания и тепловыделения. Они показали, что вблизи области отрыва существуют значительные продольные градиенты этих параметров, скорость реагирования близка к нормальной скорости горения, с удалением от препятствия она снижается. Вблизи области максимальных температур отсутствует тепловыделение. Положение Ттах определяется теплообменом в объёме пограничного слоя и на стенке.

Получено интегральное соотношение для турбулизованного пограничного слоя. Показано, что при его использовании для анализа процессов переноса необходимы измерения анизатропии турбулентных пульсаций.

Показано, что в результате внешней турбулизации увеличивается толщина теплового пограничного слоя, при этом толщина динамического пограничного слоя изменяется мало. В диапазоне изменения внешних условий Ти0 < 18 % при Л < 6 мм отмечена тенденция к сближению опытных данных с результатами расчетов для трения в ламинарном пограничном слое, в котором отсутствует турбулизация, вдув и горение.

В условиях опытов для препятствия высотой к = 3 мм во внешней области пограничного слоя до фронта пламени сохраняется турбулентный механизм переноса импульса. С увеличением высоты препятствия (к = 6 мм) область отрыва потока распространяется на весь пограничный слой.

Установлено, что за препятствием на расстоянии нескольких десятков его высот возникают области повторного присоединения. В них резко возрастает интенсивность процессов переноса, образуется стационарная последовательность зон, где повышенный уровень пульсаций скорости, температуры, где увеличена концентрация гидроксила.

Существование подобных крупномасштабных стационарных неоднородно-стей отражает присутствие за препятствием поперечных структур.

В канале с положительным продольным градиентом давления показано, что наиболее восприимчива к силовому воздействию высокотемпературная область пограничного слоя. В случае горения на стенке диффузора диапазон изменения коэффициентов переноса при увеличении угла раскрытия шире, чем без горения. Тенденция к ламинаризации массопереноса сохраняется для всех углов раскрытия.

По результатам опытов с горением и отрицательным продольном градиенте давления показано, что при внешней турбулизации интегральные масштабы пограничного слоя с горением существенно отличаются от масштабов не реагирующего течения. Толщина вытеснения превышает толщину потери импульса более, чем на порядок. Перенос импульса сопровождается повышением трения в десятки раз.

В ускоренном пограничном слое с горением линии тока пересекают изотерму «фронт пламени». Полнота сгорания увеличивается при турбулизации и снижается при ускорении, т.е. она высока в поперечных структурах и снижается в продольных образованиях.

Общее сопротивление сужающегося канала увеличивается при горении на его стенке и практически не меняется при турбулизации реагирующего пограничного слоя.

Показано, что в случае ускорения пограничного слоя наибольшее изменение скорости происходит вблизи фронта пламени. Образуется локальный максимум в профиле скорости, который исчезает с увеличением турбулентности основного потока.

В опытах по визуализации отмечено одновременное присутствие и чередование областей с поперечными и продольными неоднородностями. Получены количественные данные о параметрах продольных структур. Показано наличие встречного вращения в продольных структурах.

Установлено, что наличие крупномасштабных структур в пограничном слое вызывает повторяющуюся ламинаризацию процессов переноса. Она проявляется на фоне общей тенденции к развитию турбулентного массопереноса и вызывает расслоение опытных данных на уровни ламинаризованного тепломассообмена. Ламинаризация устойчива к увеличению турбулентности внешнего потока до 18%, она сохраняется при Ке~2-106.

Коэффициенты переноса изменяются от значений характерных для ламинарного течения Ч*р =1 до уровня, реализуемого в потоках с отрывом.

Показано, что расслоение на уровни ламинаризованного массообмена проявляется в пограничном слое без горения: в случае взаимодействия импактной струи с преградой, в задачах о теплообмене за ребром и уступом, о тепломассообмене на затупленной пластине и т.д. Расслоение сохраняется при Яе~106. Общим свойством в рассмотренных ситуациях является наличие замкнутого отрыва.

Показано, что известным экспериментальным данным по структуре пограничного слоя за областью отрыва не противоречит физическая модель с последовательным расположением нескольких областей присоединения, между которыми области с крупномасштабными продольными вихрями. В областях присоединения происходит ступенчатое возрастание тепломассообмена, в областях с продольными вихрями - ламинаризация процессов переноса.

ИТОГИ РАБОТЫ

Определён осреднённый результат воздействия крупномасштабных структур на обтекаемую поверхность. Наличие структур в пограничном слое вызывает повторяющуюся ламинаризацию течения, которая происходит на фоне общей тенденции к развитию турбулентного тепломассообмена.

Обоснована физическая модель течения и тепломассообмена за областью рециркуляции. В пограничном слое образуется последовательность из областей присоединения, между которыми продольные вихри. В областях присоединения интенсивность тепломассообмена возрастает, а продольные структуры ответственны за ламинаризацию процессов переноса. С позиций этой модели проанализированы различные проблемные случаи взаимодействия потока с поверхностью. Предложено общее объяснение особенностей тепломассообмена в байпасном переходном режиме, которые проявились в них.

Установлены пределы влияния структур на параметры переноса в пограничном слое с внешними газодинамическими возмущениями. Интенсивность тепломассообмена варьируется от уровня, который характерен для ламинарных потоков, до значений в потоках с отрывом. Эффекты ламинаризации проу являются при Ле-Ю.

Создана аппаратура, использующая эффекты молекулярного рассеяния и флуоресценции для бесконтактных исследований реагирующих турбулентных высокотемпературных газовых потоков. Отработаны методы её применения.

Получена база экспериментальных данных о пограничном слое с горением в сложных условиях, о влиянии на тепломассообмен ускорения потока и его турбулизации, о взаимодействии турбулентности и горения. Показаны отличия реальной структуры турбулизованного реагирующего течения от положений модели «фронта пламени».

1. Беспалов И.В. Структура зоны горения в турбулентном пограничном слое у проницаемой стенки // Вопросы теории горения: Сб. науч. тр. Москва, 1970,-с.29 -40.

2. Беспалов И.В. Конвективный тепломассообмен на проницаемой пластине при горении в пограничном слое // Тепло- и массоперенос: Материалы IV Всесоюзного совещания Минск, 1972. - Т. 1, ч.З - С.48-56.

3. Бон, Хофман, Такахаси, Лондер. Местный теплообмен за резким расширением круглого канала при постоянной плотности теплового потока на стенке // Теплопередача, 1984, т.106, №4, с.91-100.

4. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Конвективный тепломассообмен при испарении жидкости в газовый поток // Известия СО АН СССР, №16, Сер. техн. наук, вып.З, 1985, с.13-22.

5. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И., Титков В.И. 1986а / A.c. 1270588 СССР, кл. G-01 К 17/02 Способ определения составляющих теплового потока и устройство для его осуществления // Открытия. Изобретения.- 1986. №42.

6. Бояршинов Б.Ф., Терехов В.И. О соотношении тепловых потоков на поверхности при наличии фазового перехода // Известия СО АН СССР, №4, Сер. техн. наук, вып.1, 1986, с.25-31.

7. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Лукашов В.В. 19946. Воздействие горения на теплообмен в пограничном слое // Тр. Первой Российской нац. конф. по теплообмену. Т.З. Тепломассообмен при химических превращениях. М.: МЭИ, 1994. С.36-41.

8. Бояршинов Б.Ф., Волков A.A., Фёдоров С.Ю. Спектрометр когерентного ан-тистоксова рассеяния на вращательных переходах водорода // Приборы и техника эксперимента, 1994, №1 с.153-158.)

9. Бояршинов Б.Ф., Фёдоров С.Ю., Волков A.A. Измерение корреляционных характеристик затопленной струи по комбинационному рассеянию света // Приборы и техника эксперимента, 1994. №5, с. 110-116.)

10. Бояршинов Б.Ф. б). К анализу опытных данных по тепло- и массопереносу в пограничном слое // ФГВ. Т.34. № 2. 1998. С. 73-81.

11. Бояршинов Б.Ф., Фёдоров С.Ю. // Измерение параметров потока в вихревой трубке Ранка-Хилша методом КАРС // Приборы и техника эксперимента, 1999, №6, с.95-99.

12. Бояршинов Б.Ф. 2000а. Некоторые особенности тепло- и массопереноса при < обтекании поверхности воздушным потоком // Прикл. механика и техн. физика, 2000, т.41, №4, с.124-130.

13. Бояршинов Б.Ф., Фёдоров С.Ю. Измерения температуры и концентрации ОН в спиртовоздушном пламени методом лазерно-индуцированной флуоресценции // Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, № 2. С. 3-8.

14. Бродуэлл Дж.Э., Димотакис П.Э. Значение новых экспериментальных результатов для моделирования реакций в турбулентных потоках // Аэрокосмическая техника, 1987, №2, 42-47.

15. Брыляков А.П., Жаркова Г.М., Занин Б.Ю., Коврижина В.Н., Сбоев Д.С.

16. Отрыв потока на* прямом крыле при повышенной внешней турбулентности //

17. Учёные записки ЦАГИ, 2004, т.ХХХУ, №1-2, с.57-62.

18. Бэк Л., Каффел Р., Массье П. // РТ и К. 1969. Т.7, №4. С.8-15.

19. Ван. Экспериментальное исследование теплоотдачи при смешанной конвекцииот горизонтальной плоской пластины к воздуху. Теплопередача, сер.С, 1982,т.104, №1, с.150-155.

20. Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа: Пер. с англ./ Сост. М. Ван-Дайк.- М.: Мир, 1986. 184с.

21. Волчков Э.П., В.И.Терехов, В.В.Терехов. Структура течения, тепло- и массо-перенос в пограничном слое со вдувом химически реагирующих веществ (Обзор) // ФГВ, 2004, т.40, №1, с.3-20.

22. Волчков Э.П., Терехов В.В., Фёдоров С.Ю., Бояршинов Б.Ф. Пограничный слой с горением на проницаемой поверхности / с.63-90 в кн. Законы горения /1. Г/

23. Под общ. ред. Ю.В.Полежаева. М.: Энергомаш, 2006. 352с.

24. Вукалович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.-М.Л.: Энергия, 1965.-400с.

25. Гад-эль-Хак, Бушнел. Управление отрывом пограничного слоя // Современное машиностроение, Сер.А., 1991, №7, с.2-35.

26. Горшков Г.Ф. Влияние когерентных структур на течение и тепломассообмен при дозвуковом струйном обтекании преграды в режиме автоколебаний // Промышленная теплотехника, 1989, т.11, №2, стр.20-27.

27. Головкин М.А., Горбань В.П., Симусева Е.В., Стратонович А.Н. Обтекание прямого крыла при стационарных и квазистационарных внешних условиях // Учёные записки ЦАГИ. 1987. - т.ХУП, №3 - с. 1-12.

28. Григорьев Ю.Н. Организованные структуры в развитой пристенной турбулентности.- Новосибирск, 1993. 40 с. - (Препринт / СО РАН, Ин-т вычислительных технологий).

29. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки: Пер. с англ, М.: Мир, 1987.-588.

30. Дыбан Е.П., Эпик Э.Я., Юшина JI.E. Теплообмен на продольно обтекаемой пластине при наличии отрыва и турбулизации внешнего потока // Пром. теплотехника. 1995. Т. 17. № 1-3. С. 3-12.

31. Дыбан Е.П., Эпик Э.Я. Тепломассообмен и гидродинамика турбулизованных потоков, Киев: Наук, думка, 1985.296 с.

32. Ерёмин E.H. Основы химической термодинамики. М.: Высшая школа, 1978-391с.

33. Зайковский В.Н., Трофимов В.М. Расслоение турбулентного теплообмена на дискретные уровни при акустическом взаимодействии в сверхзвуковом канале //ТВТ.Т.34.№3. 1996. С.413-418.

34. Занин Б.Ю., Козлов В.В., Рыцарев В.М. Применение термоанемометра для измерения степени турбулентности в пограничном слое атмосферы. Новосибирск, 1980. - С.24-34. (Препринт/АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т теор. и прикл. механики; №41).

35. Зысина-Моложен JI.M. Приближенный метод расчета теплового пограничного слоя // ЖТФ. Т. XXIV. № 5. 1959. С.632-639.

36. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975, 599с.

37. Иевлев В.М. Некоторые вопросы гидродинамической теории теплообмена при течении газа//Докл. АН СССР. 1952. Т. 87. С. 21-24.

38. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергоиз-дат, 1981.-416с.

39. Итон Дж.К., Джонстон Дж.П. Обзор исследований дозвуковых присоединяющихся течений//РТ и К, т. 19, №10, 1981, с.7-19.

40. Кабов O.A. Формирование размерных структур в стекающей пленке жидкости при локальном нагреве // Теплофизика и аэромеханика,-1998, т.5, №4,- С.537-602.

41. Кала К.Э., Фернандес Э.К., Хейтор М.В., Шторк С.И. Исследование крупномасштабных вихревых структур в модельной камере сгорания // XXXVII Сибирский семинар, Москва-Новосибирск, 1-5 октября 2004 г. Новосибирск 2004. Тезисы докладов, 436 с.

42. Книга рекордов Гиннесса, М.: Прогресс, 1991, 318с.

43. Колмаков Ю.А., РыжовЮ.А., Столяров Г.И., Табачников В.Г. Исследование структуры обтекания прямоугольного крыла Я = 5 на больших углах атаки // Труды ЦАГИ. 1985. - вып. 2290. - с.84-89.

44. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса.- ДАН СССР, 1941, т.30, №4, ^ 299-303.

45. Кузнецов В.И. // Теория и расчет эффекта Ранка. Омск: Изд. ОмГТУ, 1994. Кумар И.Дж. Экспериментальное исследование тепло- и массообмена в реагирующем пограничном слое при пористом вдуве // Инж. Физ. Журн. 1969.-Т.17, №4. - С.622-632.

46. Маккормак, Уилкер, Келхер. Вихри Тейлора-Гёртлера и их влияние на теплообмен // Теплопередача, 1970, V.92, N2, с.106-118.

47. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. М., «Химия», 1977. 320с.

48. Мамонов В.Н. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое при интенсивном вдуве и внешней турбулентности // Дисс. канд. техн. наук 01.04.14, ИТ СО РАН, Новосибирск-1981 (на правах рукописи).

49. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука, 1984.-716с.

50. Меллор A.M., Фергюсон С.Р. Прикладные задачи турбулентных течений с химическими реакциями // Турбулентные течения реагирующих газов.- М.: Мир, 1983,-С.71-99.

51. Методы расчёта турбулентных течений. Пер. с анг./ Под ред. Колльмана. -М.: Мир, 1984.-464 с.

52. Мори Я. Влияние свободной конвекции на вынужденное ламинарное конвективное течение над горизонтальной плоской пластиной. Теплопередача, т.83, сер.С, №4, 1961, с.111-115.

53. Ота, Кон. Теплообмен в областях отрыва и присоединения течения при осе-симметричном обтекании затупленного кругового цилиндра // Теплопередача, 1977, т.99, №1, с.158-160.

54. Ота, Кон. Теплообмен в областях отрыва и последующего присоединения течения при обтекании плоской пластины с затупленной передней кромкой // Теплопередача, 1984, т.96, №4, с.29-31.

55. Поляков Н.Ф. Ламинарный пограничный слой в условиях «естественного» перехода к турбулентному течению. В кн.: Развитие возмущений в пограничном слое. Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР, 1979, с.23-67.

56. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия,i1978.-704с.

57. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. М.: «Химия», 1978, 392 с.

58. Рапопорт Ф.М., Ильинская A.A. Лабораторные методы получения чистых газов. -М.: Госхимиздат, 1963.

59. Рудницкий А.Л., Федоров С.Ю., Якоби Ю.А. СКР-спектрометр с внутрире-зонаторным рассеянием света // Тезисы докладов III Всесоюзной школы по методам аэрофизических исследований (Красноярск, 4-13 июня, 1982 г.) Часть 3, с.55-59, Минск, 1982.

60. Румер Ю.Б., Рыбкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. М.: Наука, 1977, 552 с.

61. Самсонов В.П. Исследование структуры пламени в пограничном слое методом осаждения сажи на поверхность // Химическая физика, 1992, т. 11, №11, с. 15801587.

62. Сергеев Г.Т. Основы тепломассообмена в реагирующих средах. Минск.: Наука и техника, 1977. - 232с.

63. Сергеев Г.Т., Копелиович Б.Л. Тепломассообмен в пограничном слое при горении газообразных и жидких топлив // Тепломассообмен в химически реагирующих системах Материалы VI Всесоюзной конференции по тепломассообмену. Минск, 1980. - Т.З. - С.46-50.

64. Смит. Турбулентное течение при симметричном внезапном расширении канала // Тр. Амер. об-ва инж.-мех. Сер.Д. 1979, т. 101, №3, с.200-206. СН-245-71. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий.-М.: Стройиздат, 1972.-96с.

65. Сполдинг Д.Б., Ауслендер Д.М., Сандерем Т.Р. Расчёт тепло- и массообмена в турбулентном пограничном слое на плоской пластине при больших числах М как при наличии, так и отсутствии химических реакций. Москва, 1966. - 72с. - (Препринт/ БНИ ЦАГИ; № 180-66.

66. Трофимов В.М. Гидродинамика турбулентности, включающей крупномасштабную её часть.- Новосибирск, 1991. -36 с. (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т теорет. и прикл. механики; №13-91).

67. Фогель, Итон. Комбинированные измерения теплоодачи и гидродинамических характеристик за обратным уступом // Теплопередача, 1985, т.105, №4, с. 152159.

68. Устименко Б.П., Змейков В.Н., Шишкин A.A. Термоанемометрические методы исследования турбулентности в газовых потоках и факелах. Алма-Ата.: Наука, 1983. - 180с.

69. Хахенберг X., Шмидт А. Газохроматографический анализ равновесной паровой фазы. М.: Мир, 1979. - 160с.

70. Хмель С.Я., Федоров С.Ю., Шарафутдинов Р.Г. Конденсация смесей моно-силан-аргон и моносилан-гелий в свободной струе // Журнал технической физики, 2001, т.71, вып. 6, с.116-121.

71. Хьюберг К.-П., Герцберг Г. Константы двухатомных молекул. Пер. с англ. М.: Мир, 1984, 4.1, 2.

72. Ярин A.JI. О срыве пламени горящей жидкости воздушным потоком // ФГВ, т. 19, №1, 1983, С.3-12.

73. Afgan N.H., Leontiev A.I. Instrument for thermal radiation flux measurement in high temperature gas flow (cuernavaca instrument) // Heat Recovery Systems & CHP. 1995, Vol.15, No.4, pp.347-350.

74. Ahmad Т., Faeth G.M. Turbulent wall fires // 17th Symp. (Intern.) on Combustion. -Pittsbergh, Comb. Inst. -1978, p.l 149-1160.

75. Ames F.E., Moffat R.J. Heat Transfer with high intensity, large scale turbulence: the flat plate turbulent boundary layer and the cylindrical stagnation point: Report. Stanford Univ. N HMT-44. Stanford, California, 1990.

76. Blackwelder R.F., Eckelmann H. Streamwise vortices associated with the bursting phenomenon //J. Fluid Mech., 1979, v.94, 577-594.

77. Blackshear P.L., Kanury M.A. // 11th Symp. (Intern.) on Combustion. -Pittsberg, Comb. Inst.-1967, p.545.

78. Bradley D. Is the turbulent burning velocity a meaningful parameter? // Физика горения и взрыва.- 1993.- №3.- с.5-7.

79. Castro I.P., Haque A. The structure of a turbulent shear layer bounding a separation region. // J. Fluid Mech., 1987, vol.179, pp.439-468.

80. Castro I.P., Haque A. The structure of shear layer bounding a separation region. Part 2. Effects of free-stream turbulence // J. Fluid Mech. 1988, vol.192, pp.577-595.

81. Cattolica R.J., Vosen S.R. Two-dimensional measurements of the OH. in a constant volume combustion chamber // 21-th Int. Symp. on Combust., the Combustion Institute, 1988. P. 1273-1282.

82. Chinnov E.A., Kabov O.A., Marchuk I.V., Zaitsev D.V. 20026. Heat transfer andbreakdown of subcooled falling liquid film on a vertical middle size heater // Intern.

83. Journal Heat and technology.-2002. Vol.20, No.l.-P. 69-78.

84. Coles D.E., Barker S.J. Some remarkes on synthetic turbulent boundary layer. In:

85. Turbulent Mixing in non reactive and reactive Flows, ed S.N.B. Murthy,1975,pp.285-292.

86. Corino E.R., Brodkey R.S. A visual investigation of the wall region in turbulent flow // J. Fluid Mech, 1969, v. 37, 1-30.

87. Correa S.M., Drake M.C., Pitz R.W., Shyy W. Prediction and measurement of a non-equilibrium turbulent diffusion flame // // 20-th Int. Symp. on Combust., the Combustion Institute, Pittsburgh: 1984. P. 337 343.

88. Crosley D.R, Lengel R.K. Relative transition probabilities and the electronic transition moment in the A-X system of OH // J.Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1975. V.15. P.579-591.

89. De Ris J., Orloff L. The role of buoyancy direction and radiation in turbulent diffusion flame on surfaces // 15th Symp. (Intern.) on Combustion. -Pittsberg, Comb. Inst.-1974, p.175-182.

90. Dieke G.H., Crosswhite H.M. The ultraviolet bands of OH // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1961. Vol. 2. P. 97 199.

91. Drake M.C., Pitz R.W. Comparision of turbulent diffusion flame measurements of OH by planar fluorescence and saturated fluorescence // Experiments in Fluids, 1985, N3, p.283-292.

92. Earls L.T. Intensities in 2U 2S transitions in diatomic molecules // Phys. Rev. 1935. Vol. 48. P. 423 - 424.

93. Gaydon A.G. The Spectroscopy of Flames // London, 1957. P. 382.

94. Han D., Mungal M.G. Simultanious measurements of velocity and CH distribution.

95. Part I: jet flame in co-flow // Combustion and Flame Vol. 132, P. 565 590, 2003.

96. Heitor M.V., Tailor A.M.K.P., Whitelaw J.H. Simultaneous velocity and temperature measurements in turbulent jet diffusion flame // Experiments in Fluid, 1985, No.3, p 323-339.

97. Katto Y., Koizumi H., Yamaguchi T. Turbulent heat transfer of a gas flow // Bulletin of the JSME, 1975, Vol.18, No. 122, pp.866-873.

98. Kearly, D.W., Moffat, R.J. and Kays, W.M., 1970, The turbulent boundary layer: experimental heat transfer with strong favorable pressure gradients and blowing, Report No. HMT-12, Stanford Univ., Thermoscience Div., Department of Mech . Eng.

99. Kennedy L.A., Plumb O.A. Prediction of buoyancy controlled turbulent wall diffusion flames // 16th Symp. (Intern.) on Combustion. -Pittsberg, Comb. Inst.-1976, p.1699-1706.

100. Kikkawa, Yoshikawa. Theoretical investigation of turbulent boundary layer with combustion over a flat plate // Heat transfer Jap. Res. 1975. - Vol.4, No.3. - P.37-49.

101. Kikkawa, Yoshikawa. Theoretical investigation on laminar boundary layer with combustion on a flat plate // Heat and Mass Transfer. 1973. - Vol.16, - P. 12151229.

102. Kline S.J., Reynolds W.C., Schraub F.A., Runstadler P.W. The structure of turbulent boundary layers // J. Fluid Mech., 1967, v.30, 741-773.

103. Koszykowski M.L., Farrow R.L., Palmer R.E. Calculation of collisionally narrowed coherent anti-Stokes Raman spectroscopy spectra // Opt. Lett. 1985. Vol. 10. No. 10. P.478 480.

104. Kovacs I. Rotational Structure in the Spectra of Diatomic Molecules. Budapest, 1969.

105. Kumada T., Hirota T., Tamura N., Ishiguro R. Heat and mass transfer with liquid evaporation into a turbulent air stream // Letters in heat and mass transfer, 1982, Vol. 9, No. 1, pp. 1-9.

106. Moretti P.M., Kays W.M. Heat transfer to a turbulent boundary layer with varyingfree-stream velocity and varying surface temperature An experimental study // Int.

107. J. Heat Mass Transfer.-1966. V.8, No.9. P.l 187-1202.

108. Morton B.R. // 10th Symp. (Intern.) on Combustion. -Pittsberg, Comb. Inst.-1965,p.973.

109. Namazian M., Talbot L., Robben F., Cheng R.K. // XIX Symp. (Int.) on Combustion. The Comb. Inst. 1982. P.487-493.

110. Ota T., Nishiyama H. A correlation of maximum turbulent heat transfer coefficient in reattachment flow region // Int. J. Heat Mass Transfer, 1987, v.30, No.6, 11931199.

111. Orloff L., De Ris J. Cellular and turbulent ceiling fires // Combustion and flame, 1972, Vol.18, p.3 89-401.

112. Regnier P.R., Taran J.-P.E. Laser Raman Gas Diagnostics /Ed. by M.Lapp and C.M.Penny, N.Y.: Plenum Press, 1974. P. 87-100.

113. Roganov P.S., Zabolotsky V.P., Shishov E.V., Leontiev A.I. Some aspects of turbulent heat transfer in accelerated flows on permable surfaces // Int. J. Heat Mass Transfer. 1984. -N21. - № 8. - P. 1251-1259.

114. Rohmat N.A., Katoh H., Obara T., Yoshibashi T., Ohyagi S. Diffusion flame stabilized on porous plate in a parallel airstream // AIAA Journal, 1998, Vol.36, No.l 1. p.1945-1952.

115. Rosasco G. J., Lempert W., Hurst W.S., Fein A. Line interference effects in the vibrational Q-branch spectra of N2 and CO // Chem. Phys. Lett. 1983. V.97. N.4,5.fr P.435.

116. Sarpkaya T. On stationary and travelling vortex breakdowns // J. Fluid Mech., 1971, Vol.45, No.3, p.545-559.

117. Schadov K.C., Gutmark E., Parr T.P., Wilsan K.J., Crump J.E. Large-scale Coherent Structures as Drivers of Combustion Instability //Comb. Sci. and Tech.-1989.-V.64.-P. 167-180.

118. Setchell R.E., Aeschliman D.P. Fluorescence Interferences in Raman Scatteringfrom Combustion Products // Applied Spectroscopy, 1977, Vol. 31, No. 6. P. 530535.

119. Shimizu H., Lee S.A., She C.Y. High spectral resolution Lidar System with atomic blocking filters for measuring atmospheric parameters // Applied Optics, Vol.22, No.9,1983, pp. 1373-1381.

120. Simpson R.L. Separation from two-dimentional sharp-edged bluff bodies and reat-fc tachment // Annual review of Fluid Mechanics, 1989, vol.21, p.205-234.

121. Stufflebeam J.H., Eckbreth A.C. CARS diagnostics of solid propellant combustion at elevated pressure // Combust. Sc. Technol. 1989. V.66. P. 163 179.v

122. Starke R., Roth P., Eremin A., Gurentsov E., Shumova V., Ziborov V. Soot formation from hydrogen-free precursors // Combustion and Atmospheric Pollution / Edited by G.D. Roy, S.M. Frolov, A.M. Starik. Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2003. P. 404-410.

123. Turner A.B. Local heat transfer measurements on a gas turbine blade // J. Mech. Eng Sci. 1971. V. 13. № 1. P. 1-12.

124. Volchkov E.P., Dvornikov N.A., Lebedev V.P., Lukashov V.V. The Investigationof Vortex Chamber Aerodynamics // Proc. Third Russian-Korean Int. Symp. on Sci.and Tech. KORUS"99, Novosibirsk, June 22-25, 1999, Vol.1, p.40-43.

125. Paul P.J., Mukunda H.S., Jain V.K. Regression rates in boundary layer combustion19th Symp. (Int.) on combustion. The Comb. Inst. -1982. -P.717-729.

126. Rao K.N., Narasimha R., Narayanan M.A.B. Bursting in a turbulent boundarylayer // J. Fluid Mech., 1971, v.48, 339-352.

127. Ueda T., Mizomoto M., Ikai S., Kobayashi T. Velocity and temperature fluctuations in a flat plate boundary layer diffusion flame // Combust. Sci. Technol. 1982. V. 27. P. 133-142.

128. Vejrazka J. Experimental study of a pulsating round impinging jet. Thesis overview, Praha, 2005.

129. Vogel J.C., Eaton J.K. Combined heat transfer and fluid dynamic measurements downstream of a backward-facing step // J. of Heat transfer, Transactions of ASME, 1985, vol.107, p.922-929.

130. Volchkov E.P., Lebedev V.P., Nizovtsev M.I., Terekhov V.I. Heat transfer with a counter-current wall jet injection // Int. J. Heat Mass Transfer. 1995. - V.38. -№14.-P. 2677-2687.

131. Wang T., Zhou D. Conditionally sampled flow and thermal behavior of transitional boundary layer at elevated free-stream turbulence // Int. Journ. Of Heat and fluid Flow, 1998, No. 19, 348-357.

132. Willmarth W.W., Lu S.S. Structure of Reynolds stress near the wall // J. Fluid Mech., 1972, v.55, 65-69.

133. Wu W.S., Toong T,Y. Further study on flame stabilization in a boundary layer: a mecanism of flame oscillation // 9th Symp. (Int.) on Combustion. Comb. Inst. 1963, 49-58.