Структура термогравитационных течений у вертикальных поверхностей теплообмена в ламинарном и переходном режимах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 536.25

Семенов Владимир Иванович

СТРУКТУРА ТЕРМ0ГРАШГАЦИ0НШ2 ТЕЧЕНИЙ У ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕПЛООБМЕНА В ЛАМИНАРНОМ И ПЕРЕХОДНОМ РЕЖИМАХ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1991

Работа заполнена в отделения АН СССР

жстпту те теплофизики Сибирского

Научный руководитель:

Официальные оппонент:

кандидат физико-математических наук Бердшков В. С.

доктор физико-математических наук Галопов С.А., кандидат технически наук Спотарь С.Ю.

Институт механики сплошных сред Уральского отделения АН СССР

"М." 1991 г.

мин. на ааседашш специализированного совета К 002.65.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте теплофизики СО АН СССР (630090, Новосибирск, пр.Академика Лаврентьева, I)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО АН СССР

Ведущая организация:

Защита состоится _У часов 30

Автореферат разослан

£*\1391 г.

Ученый секретарь специализированного совета ,

доктор технических наук В.Н.Ярыгин

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Течения.генерируемые силой плавучести, распространены в природе, во многих областях техники и технологии. Данная работа посвящена исследованию одного из видов таких течений - термогравитацаонных погранслойннх течений у вертикальных поверхностей теплообмена. Эти течения, по мере их развития вдоль поверхности, характеризуются тремя режимам: ламинарным, переходным от ламинарного к турбулентному я турбулентный. Каждый из режимов отличается своей специфической структурой пограничного слоя и характеристикам теплопереноса.

Рассматриваемые термогравитационные процессы даже в ламинарном режиме недостаточно исследованы ввиду их сложности, обусловленной тесной взаимосвязью механизмов генерации течения и теплопереноса, а также из-за влияния многочисленных факторов, например, таких распространенных, но малоисследованных, как термическая стратификация, кривизна теплоотдавдей поверхности и др.

Значительно более сложную и малоисследованную проблему представляют течения в режиме ламинарно-турбулентного перехода и в турбулентном режиме. Недостаток фундаментальных знаний о

mnvM»лгшлтчттшпттгглттгп w ггт^аттл г* л п«' /»(nntTTTrtm л <гт т»л л «чпгm л л »тл тлтт_

- • ----- f ! ^ f-'" у - ■■ I ""1Л ^ i W^^iiU vauouwuv^w* UU IWIi

ности и надежности инженерных методов расчета характеристик теплопереноса и определяет актуальность темы исследований.

Работа выполнены в рамках плановой теш Института теплофизики СО АН СССР "Экспериментальное исследование структуры турбулентных потоков и характеристик турбулентного переноба (Гос. per. №1030084 и Гос.per. ЖП.86.0103357).

Целью работы является: а) исследование на основе уравнений Буссинёска' в' приближении пограничного слоя (ПС) влияния устойчивой термической стратификации и кривизны поверхности теплообмена на структуру ламинарного термогравитационного течения и теплообмен у вертикальных поверхностей; б) экспериментальное комплексное исследование структуры тёрмогравитационного ПС у плоской вертикальной поверхности в режиме ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП).

Научная новизна работы. I. Показана неизвестная ранее возможность автомодельного решения ряда задач ламинарной термогравитационной конвекции у вертикальных плоской и цилшдричео-

кой поверхностей теплообмена при гран, условиях I и П рода.

2. Впервые получено автомодельное решение задач: а) об изотермической плоской поверхности в жидкости, стратифицированной по линейному закону; б) об изотермической плоской поверхности с избыточной температурой, экспоненциально уменьшающейся с высотой; в) об изотермическом вертикальном цилиндре в стратифицированной по линейному закону жидкости; г)о вертикальном цилиндре

с линейно растущей по высоте температурой поверхности, но с постоянной её избыточной температурой; д) о находящейся в стратифицированной по линейному закону жидкости плоской поверхности с однородным распределением на ней по высоте плотности теплового потока. В указанных случаях исследовано влияние термической стратификации и кривизны поверхности на структуру течения и теплоотдачу.

3. Проведено комплексное экспериментальное исследование структуры претерпевающего ламинарно-турбулентный переход пограничного слоя у вертикальной поверхности теплообмена, заключающееся в сопоставлении пространственной формы течения с локальными средними по времени и пульсационными характеристиками пограничного слоя. Показана корреляция качественно разных стадий тече ния с локальной теплоотдачей. Исследованы статистические характеристики поля температур и поля скорости, а также структура вторичных течений и механизм ламинарно-турбулентного перехода.

Практическая ценность. I.Результаты исследования автомодельных задач дополняют известные в классической теории термогравитационного ПС, дают качественное и количественное представление о влиянии на структуру ламинарного течения и теплоотдачу поверхности следующих факторов: а) устойчивой термической стратификации; б) кривизны поверхности теплообмена. Полученные решения могут быть использованы: а) дан теоретического исследования указанных факторов на устойчивость ламинарных течений и ЛТП; б) как тестовые для оценки приближенных методов решения более сложных задач; в) в качестве начального приближения при расчете на ЭВМ неавтомодельных задач.

2. Экспериментальные результаты дополняют фундаментальные представления о взаимосвязи локальных характеристик термогравитационного ПС в качественно различных режимах течения с-его пространственной структурой и могут быть использованы: а) при

разработке моделей неизотермических течений в переходном и турбулентном режимах; б) в качестве тестовых дал сравнения с результатами численных экспериментов; в) при расчетах теплооб-менных устройств в режиме свободной конвекции.

Достоверность результатов численного решения автомодельных уравнений' определяется: I) тщательной отработкой и тестированием программ численных расчетов; 2) совпадением результатов при использовании нескольких различных алгоритмов численного решения; 3) соответствием полученных результатов данным других авторов, опубликованным позднее. Достоверность экспериментальных данных определяется применением разработанных и всесторонне апробированных' в ИГ СО АН СССР экспериментальных методик и подтверждается хорошей воспроизводимостью полученных результатов.

Автор защищает результаты: а) аналитического и численного исследования автомодельных задач ламинарной термогравитационной конвекции у вертикальной плоской и цилиндрической поверхностей теплообмена при" граничных условиях I и П рода; б) экспериментального исследования взаимосвязи пространственной структуры термогравитационного течения и локальных характеристик ПС (средние профили температуры, скорости, локальная теплоотдача, их дисперсии, выборочные опенки спектральной плотности пульсаций температуры) в условиях ламннарно-турбулентного перехода.

Структура и объем работы. Диссерташя состоит из введения, трех глав , заклгачения, списка литературы из 101 наименования и приложения, содержит 167 страниц основного текста, 66 рисунков и 7 таблиц. Общий объем работы 235 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность теш исследований, сформулированы цёли работы, описана структура диссертации, дается краткая аннотация полученных результатов.

3 главе I исследованы автомодельные задачи ламинарной нон-векции у отдельной вертикальной плоской поверхности. Исследования выполнены на основе погранслойного приближения уравнений Буссинеска

и,дЦ/Ьх + 1гэи/$у = (1Л)

и Э7/ЭХ + удрЪу = а д2т/эуг; ди/ЭХ + ЪЪ/Ъу = О

с гран.условиями (ГУ): и(ос)0)=1ГМ=0;Т(х0)=Ты(х) ¡'.ш 31/Эу|=0 (I 2)

применено преобразование подобия в виде: ,T-Zo~ OsfflüW >

где V введена из соотношений и= ЪУ/Ъу 1Т=-ЪУ/ЪХ , а В^ТъгТоо (при ГУ I рода) или 6S= tyufi/X (при ГУ П рода). Рассмотрены и обобщащ все соответствующие данной постановке автомодельные задачи. Обнаружены неизвестные ранее случаи существования автомодельных решений системы (I.I), (1.2).

Для ГУ I рода показано, что автомодельное решение существует при t=(i+m)0s(x)4-T* и "L=m9s(xj+T* , где 0$(a:J= (Mx+N)n или 0s= PeRoc, am,M,M,n,P,R , Т* - постоянные. Для 0s(x)= (Ма+ М)п получены масштабы

, (1-п)/ы jß In+ilfcn

8(x^[cLczay/(MMM)\ 0SW ; и^Щс^МфпЩ 0s(x) (I.3)

(где 0 - произвольные безразмерные константы) и соот-

ветствующие автомодельные уравнения

ф фг] + с2е = О, (4)

б+sgM(Mj[c^ifil)][(n+3)$0r 4л(0+т) ф] = о

С ГУ: Ф(0)=Ф(о)=0; 0(o>i; фИ«=0; в(фО. (L5)

Уравнения (1.4) более общие, по сравнению с известными (Yang , 1972), они принципиально отличаются от известных наличием параметра Sqn(M) и отражают существование неизвестного ранее класса решений дога И<0 , физически соответствующего распределению вида 0s(xJ=(iV- lMlx)n. Наличие произвольных безразмерных коэффициентов QtC2> 0 связано с неединственностью преобразования подобия. При М>0 (и CrWpt; с2=1 ) уравнения (1.4) совпадают с известными, соответствующими случаю 0s(x)=(lM|x+Af)'1 . Для 05®=Рейг

получены масштабы

5(х)= [qc2av/itylR^öjx); u,(x)= [(с</ф$ц/№1)]1/10%)

и автомодельные уравнения

Ф+здЩЩоАр^ФФ-гФ3)* с20= о,

б fsgn(Rj(G/4) [ФО - 4(0^)Ф] = 0 (1,6)

с ГУ (1.5). Уравнения (1.6) более общие, по сравнению с известными (Spaiiour , Giegq, 1958; Cheeseuf-iiqhi, 1967), и отличаются на-

личием параметров Sgtl(R) , т . Значениям R<0 отвечает неизвестный ранее класс решений, физически соответствующий распределению $s(x)=Pé~IR,x. Для R>0 , отвечающих распределению 65(х)=Ре,йж . уравнения (1.6) совпадают (если принять Q=4P¿ ; Сг= 1 ): при Ш = 0 с уравнениями SpaiiOUT, Giegq'a (1958); при m = -i с уравнениями Cheesemíghi'a (1967).

йтервые получено автомодельное решение задачи об изотермической плоской поверхности в жидкости, устойчиво стратифицированной по линейному закону П'u¡=C0nsi (x)=X,(Q)+Ar, А>0). Данной задаче отвечают соотношения (1.3)-(1.5) при М=-А<0, п =1 ,т = -I. Численное решение соответствующей краевой задачи (1.4), (1.5) выполнено методом дифференциальной прогонки, с предварительной линеаризацией уравнений (1.4), дая Pi = 0,7-10 (при С i = 4, Сг= I).'Профили скорости <p=u/us и температуры 0=(T-"üe)/Ös (рис.I) имеют участки с отрицательными значениями - "инверсиями". Характерной особенностью задачи является постоянство по высоте толщины ПС, локальной теплоотдачи о( , поперечной скорости V , линейное уменьшение с высотой продольной скорости U, локального теплового потока, (fa и касательного трения Zw . Данная задача,давно интересовавшая исследователей, ранее решалась приближенными методами (Etchhoin, 1969, в виде ряда; Che Л , Екппиш i 1376, мвтод локальной неавтомодельности). Автомодельное решение зада та, аналогичное нашему (1984, 1985), позднее получили \(u(kcnni ,3aco6s, Ишпд (1987).

Впервые получено автомодельное решение задачи дая Тцг = СОПSi, ноVT00fx)=PeHR,x, где Р , R - постоянные. Этой задаче соответствуют уравнения (1.6) при R< О ,т = -I с Г7 (1.5). Численное решение получено для Pt = 0,7 - 10 (при = 4, С2- I) и для Р-4. = 16 (при Q = 4pt , С2 = I). В последнем случае сопоставление расчетных профилей скорости и температуры с нашими же экспериментальными на рис.2 (Т^Т^ .Т^'Т») показывает их удовлетворительное соответствие. Кроме наличия отрицательных значений у профилей, дая задачи характерны экспоненциальныё зависимости с высотой толщины nC~exp(lR}%ii), скорости U~£XPf-lRl3/2,), ÍT~£Y/>(-/RM) , теплоотдачи d^exp(~IRM) и трения Показано, что представленные CheeseiffiicjhfoHi 1967) автомодельные уравнения для задачи с 7¡¡r Consí и ТугС,(х)=PeRx, где R > 0, соответствуют неустойчивой стратификации жидкости.

-г-

Для I?/ П рола показана возможность автомодельного решения системы (I.I), (1.2) при (¡шрс)^ Hx+jfl"- и T^fcM^x+N*,)4^, а такие при hfrl-Re** Л Tooixhe^ , где М, , N+, П , Р* , R - постоянные. Получены в этих случаях более общие автомодельные уравнения, отличающиеся от известных наличием в них параметров • sgn(M#) и sgn(R) И параметра стратификации т*=¿{(fr^dxYldlqJfyttxl.

ГГри М* < О, R < 0 уравнения соответствуют неизвестному ранее классу автомодельных задач. При М* > О, R » О, т* = О уравнения сводятся к известным (Мартыненко, Соконишин, 1977).

Впервые подучено автомодельное решение задачи для Ц-ш= const и 1¡0=Мх+ЛГ; М , ЛГ - постоянные. Масштабам <Г= [с,с2ау/(рди)1'л ; Ws= CWyO)f%a/M)2^ соответствуют автомодельные уравнения

<£ + Q0 = 0,

X rt CI.7)

. е-с2Ф=о

с ГУ: ФГо)=Ф(о>0; 0WM; фН*0; 0И=О. (1.8)

Аналитическое решение системы (1.7), (1.8) имеет вид ( при С*= С2 = 1)

¿m[Co$(4/rz)+Sin(i]/®]; ф=$е >mSin(yu);

В главе 2 исследованы задачи осесимметричной ламинарной конвашии у внешней поверхности отдельного вертикального цилиндра радиуса 4о . Исследования выполнены на основе уравнений Бусси-неска в приближении ПС для цилиндрической систеш координат (I ,V,х)

иъи/1х f vdu/di = [У/1)^[ФиАфз1+p$(T~TJ; и Ц/2Х+ ъЪ1М « (а/ф[1(ъТ/Ы)]/Э1; ¿ЬЮМ=О

С Г/: ufx^0J= 1у(х,и)=0> Т(хд0)=ад ^ (2.2)

ц(х,со) = 0; Tfx,oo) = °

Применено преобразование подобия в виде i~la= о(х) у,

• Usfc)5(x)[F-где f введена из соотношений tu=2(tf)Al , tlr=-XVfj/2x, a 6s~Tia~loo или в$=%&А • Рассмотрены и обобщены все соответствующие данной постановке

(2.3)

автомодельные задачи. Обнаружены неизвестные ранее случаи существования автомодельных решений системы (2.1), (2.2).

Для ГУ I рода показано, что автшдельное решение существует при Тщ= (-l+m)6s(xl-hT* и одновременно Too' тв$(х)+Т* ,где

= Мx+J\[ - линейная функция от х , a m , 7* , М , Я - константы. В данном случае получены масштабы 5" , t¿s , совпадающие с (1.3) при ÍL = I, и автомодельные уравнения

Г- F/(v<?j]F- FzJ-/-cze= 0;

F/(wi]Q-(Q+m)F] = О

с ГУ: F(o)=F(C)=F(0) = 0; Q(q)={; FH=0; QH=0. Уравнения (2.3) получены впервые. Они содержат параметр Sgn(M), учитывающий характер изменения с высотой (при SQtl(M) = I

линейный рост, а при Sgn(M) = -I линейное уменьшение), и параметр стратификации ш . Значениям М< 0 соответсвует неизвестный ранее класс автомодельных решений. При М> О, m = О уравнения соответствуют известной автомодельной задаче с линейным ростом Тш(х) при T^consi (HiUsaps H.,Pohihausen Я, 1953).

Впервые подучено автомодельное решение задачи дая изотермического цилиндра (Тцг= Const ) в стратифицированной по линейному закону жидкости ("J^(xJ=To(0HA:r; А> 0), чему соответствует система (2.3), (2.4) с М=-А<0, М. = -I. Численное решение последней получено для Pi =0,7; 7; 15; I03 И = 0,1 -г Ю6 (при Сс = 4; С2 = I). Пробили скорости f=u/u.s и температуры 9 = (T~T»)/0s ■ Для Pt= 7 представлены на рис.5. Зависимость от значений 0(0) и F(0), входящих в соотношения d = fyur/Bs=

0 ?У(ЫМ]== Пр)?уи5/<Г, представлена на рис.4. Структура течения характеризуется наличием "инверсий" профилей Fft) , Qft) , постоянством по высоте X толщины ПС, oí и 1г , линейным уменьшением по X и., (j^-, Хцг- При 00 решение совпадает с решением дня плоской поверхности.

Шервые получено автомодельное решение задачи о цилиндре С Тш-Т>е5= const, но TM(oc)=M^N; М > 0; М , N = Const. Классическая задача G-iiS'a (1966) является предельным случаем со данной осесимметричкой задачи, численное решение кото-

рой получено в работе для = 10 Юь.

Для ГУ П рода показана возможность автомодельного решения системы (2.1),(2.2) при линейном законе изменения с высотой %№ и XJx) . Полученные автомодельные уравнения, аналогичные (2.3), учитывают случаи как роста, так и уменьшения %ЛХ) с высотой.

Впервые доказана возможность автомодельного решения зада-; чи о цилиндре при Const и Тоа(х)= Мх+Я, где М , Я - постоянные, М > 0. Получены соответствующее масштабы и автомодельные уравнения.

Глава 3 посвящена исследованиям ламннарно-турбулентного перехода (ДТП), в термогравитавдонном ПС у вертикальной плоской поверхности теплообмена. Из обзора литературы по данному вопросу в § 3.1 следует, что большая часть работ связана с изучением начальных стадий процесса ЛТП в условиях внешней задачи: а) теоретическим, в рамках линейной теории устойчивости ( Nachtsheim , 1963; Ktwules, GeShait, 1968; HieSei , GeShaii , 1971; Хааленд, Спэрроу, 1973; Цуу, Чжэнь, Армали, 1985; Tien , Chen , I98S и др.); б) экспериментальным, с целью проверки теоретических выводов по линейной теории устойчивости ( Lock и др., 1967; Podymeiopoufos , Geßhait , 1967; Lioycf , Spaiiovr , 1970; Hiebt, Gethait, 1971; Ja ¿una ,&el>hait , 1973; laPuua , 1976 и др.). Нелинейное усиление возмущений и трехмерные эффекты изучались экспериментально {Jatuiia , Ge&haii, 1973) и теоретически (hudunsoti , Geßha-ii , 1976). Исследования устойчивости ПС в условиях вну^енней задачи, на вертикальной стенке прямоугольной плости, выполнены Таруниным, Шайдуровым (1979). Механизм ДТП и некоторые локальные характеристики ПС в режиме ДТП исследовали экспериментально Зккерт, Зенген и др. (I960), - Szeurczy£ (1962), Кирдяшкин (1979), &i£E (1986).

Отсутствие комплексных экспериментальных исследований ДТП в термогравитациойном ПС, включающих изучение и сопоставление пространственной формы течения и соответствующих локальных средних по времени и пульсационных характеристик.' ПС, послужило причиной постановки задачи настоящего экспериментального исследования .

В § 3.2 описаны экспериментальная установка, методики измерений температуры, скорости, исследования пространственной

картины течения, метод статистической обработки пульсаций температуры, оценены погрешности измерений.

Исследования ПС у нагретой вертикальной поверхности проводились в двух рабочих участках(теплоизолированных сверху и снизу прямоугольных полостях) с близкими линейными (Н ) и одинаковым относительным (Н/Л = 11,5) размерами (рис.5). Две противоположные вертикальные стенки полости поддерживались при разных температурах Ть>"1с • Смежные с теплообменными вертикальные стенки полостей изготавливались из прозрачного оргстекла. Поверхности теплообмена 1-ой полости (Н= 689 мм, Ь = 60 мм), изготовленные из меди ( Д = 400 Вт/(м-Ю), позволяли создать классические условия их изотермичности. Вторая полость (Н = 660 мм, Ь - 57 мм) с прозрачной тешгообменной поверхностью (стекло, Д » I Вг/(м-Ю) позволяла исследовать пространственную форму течения в ПС визуализированной алюми- ' ниевыми частицами жидкости (этиловый спирт, 96$, Р-1~16 при 20 °С, А_==0,18 Вг/(м-К)).__Стационарный рабочий режим С^н=ЙлТН3/<:од>)= /о", АТ=Ть-Тс , ддя 1-ой полости,

дТ-4,5К - для 2-ой) создавался прокачиванием через теплообменники термостатированной (с точностью в пределахЮ,025 °С) воды при разных температурах и контролировался с помощью термопар, размещенных по высоте на поверхностях теплообмена.

Структура температурного поля исследовалась с помощью микротермопары, изготовленной из проволок нихрома и константа-на диаметром 0,03 мм. Её чувствительность 41 мквД, постоянная термической инерции меньше 0,01 с. Перемещение микротермопары по нормали к поверхности с помощью координатника задавалось с точностью 0,005 мм. Исследования распределения мгновенного локального теплового потока на поверхности теплообмена по высоте проводились также и с помощью дифференциального термопарного датчика из проволок нихрома и константана диаметром 0,05 мм с фиксированным расстоянием между термопарами 0,44 мм.

Термо-ЭДС измерялась цифровым вольтмером <±>30 с точностью + I мкв. Сигнал через систему КАНАК вводился в микро-ЭВМ ДВК-ЗМ2. Дискретизация осуществлялась с шагом 0,16 с. Определялись значения выборочных средних, дисперсий температуры и локальной теплоотдачи, выборочных оценок спектральной плотности пульсаций температуры и локальной теплоотдачи. Спектральный

- Л—

анализ проводился корреляционным методом с использованием высокоэффективной процедуры Рэйдера.Длина дискретной выборки составляла 2048 отсчетов.

Мгновенные поля скорости регистрировались разработанным в ИТ СО АН СССР методом стробоскопической визуализации с помощью электронного стробоскопа и фотоаппарата. Для визуализации течения жидкости применялись алюминиевые частицы размером 10г20 микрон. Абсолютная ошибка определения мгновенной скорости не превышала 0,12 мм/с.

Б § 3.3 представлены результаты экспериментальных исследований. Получены подробные данные о развитии ПС на нагретой стенке прямоугольной полости с двумя вертикальными нагретыми до разных температур границами высокой теплопроводности: средние по времени профили температуры Т, скорости и., дисперсии пульсаций температуры бV и "скорости ба , распределения по высоте средней по времени локальной теплоотдачи о( и дисперсии пульсаций температуры , а также оценок спектральной плотности температурных пульсаций $(£)(рис.6 - 8). Проведено сопоставление полученных данных. По характеру изменения с высотой зависимости о*.(ос) выделены три. области в ПС по высоте (рис.7): 1-ая, ламинарного ПС, при Ках<2,2-109; 2-ая, переходная, при 2, 4-Г09й Яах «с 5,5-Ю9; 3-я, турбулентного ПС, при 6-Ю9.

Пульсации температуры и скорости наблюдались уже в верхней части 1-ой области и достигали максимальных значений по высоте в середине 2-ой области "теплового перехода" при Яах~4,2-Ю9. Спектральная плотность температурных пульсаций (рис.8) сохраняет по высоте, вплоть до середины 2-ой области, свою дискретную форму с основным максимумом на неизменной частоте / = 0,35 Гц. Примерно с середины 2-ой области и выше форма спектров качественно изменяется и становится сплошной, характерной для хаотического сигнала. В пределах ПС зависимость формы спектров только от расстояния до поверхности теплообмена практически отсутствует. Измеренные профили средней скорости (рис.6) показывают увеличение толщины динамического ПС во 2-ой области "теплового перехода".

Указанные факты позволяют сделать вывод о наличии в конце 1-ой и во 2-ой областях ПС по высоте периодического во време-

ни вторичного течения.

Исследование пространственной структуры течения в ПС проводилось с использованием прозрачной поверхности теплообмена во 2-ой полости (рис.9). При том же режиме течения (Ra^IO11) были повторены-подробные исследования мгновенной и средней по времени локальйой теплоотдачи поверхности с высотой, полей скорости и их статистических характеристик (дисперсии и спектральной плотности пульсаций локальной теплоотдачи, дисперсий скорости).

Качественное соответствие в изменении с высотой локальных характеристик ПС в двух разных случаях высокой теплопроводности но непрозрачности поверхности теплообмена (полость Ik I) и низкой теплопроводности, но прозрачности поверхности теплообмена (полость J'» 2), показало подобие процесса ЛТП в этих ситуациях. Прозрачная же поверхность теплообмена во 2-ом случае позволила иметь пространственную картину эволюции течения в ПС и сопоставить её с подробно измеренными локальными характеристиками ПС.

Определены критические значения RuXi , соответствующие качественно различным этапам развития вторичного течения. Значения х » 130 Мм, RaXf^6*10® соответствуют возникновению в ПС дгуисрпого вгорпчниго течения, имеющего вид всплывающих горизонтальных валов с осями, параллельными поверхности теплообмена, и коррелируют с появлением пульсаций скорости и температуры. Переход от двумерного вторичного течения к трехмерному наблюдался при значениях х—203 мм, 2,3-I09. Этот

этап перестройки структуры вторичного течения коррелирует с началом "теплового перехода" в зависимости d(x). В зоне ПС по высоте между этими значениями Raxi вторичное течение имеет хорошо пространственно-организованную структуру, которой соответствует дискретный характер спектров пульсаций локальной теплоотдачи. Переход к трехмерному течению выше второго порога RctXz~ 2>3 'Ю9 коррелирует как с изменением тенденции в зависимости d(x) , так и со значительным увеличением интенсивности пульсаций скорости и мгновенной локальной теплоотдачи поверхности теплообмена, утолщением динамического ПС и качественным изменением выше середины области теплового перехода формы спектров пульсаций локальной теплоотдачи от дискретной к Сплошной.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование условий существования автомодельных решений логранслойного приближения уравнений Буссинеска,

, описывающих ламинарные термогравитационные течения у вертикальной плоской и цилиндрической поверхностей теплообмена, при граничных условиях I и П рода с учетом устойчивой тер- , мической стратификации жидкости. Дополнены новыми классы задач, допускающих автомодельные решения.

2. Разработаны программы численного решения на ЭВМ краевой задачи для автомодельных уравнений. Впервые получено автомодельное решение задач о ламинарном течении жидкости у вертикальных поверхностей теплообмена: а) у плоской изотермической поверхности в жидкости, устойчиво стратифицированной

по линейному и экспоненциально^ законам, б) у изотермического цилиндра в жидкости с линейным распределением устойчивой стратификации плотности, в) у плоской поверхности с однородным по высоте распределением плотности теплового потока в жидкости с линейным законом устойчивой стратификации, г) у цилиндра с линейно растущей по высоте температурой поверхности, но постоянной её избыточной температурой. На основе полученных решений исследовано влияние термической стратификации и кривизны поверхности теплообмена на структуру ламинарного течения, теплоотдачу и трение на поверхности.

3. Создан автоматизированный стенд с двумя рабочими участками, отличающимися теплопроводностью границ теплообмена и позво-.ляюпрши проводить комплексные исследования структуры течения и процессов ламинарно-турбулентного перехода в термогравита- . ционных пограничных слоях у вертикальных поверхностей теплообмена.

4. Прослежена эволюция с высотой локальных характеристик пограничного слоя у вертикальных поверхностей теплообмена высокой и низкой теплопроводности и проведено их сопоставление, которое показало подобие процессов ламинарно-турбулентного перехода в этих двух случаях. Выделены стадии и определены пороги качественных изменений структуры течения: от ламинарного к двумерному периодическому Йа^б-Ю^; от двумерного к трехмерному йахг— 2,3-10®.

5. На всех этих различных по структуре течения участках пограничного слоя измерены статистические характеристики поля скорости и поля температуры. Найдено, что изменение статистических характеристик по высоте ПС коррелирует с изменением качественной картины течения, а также с изменением характера локальной средней по времени и мгновенной теплоотдачи.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ. ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ:

1. Семенов В.И. Автомодельные задачи стационарной ламинарной свободной конвекции на вертикальной пластине//Структура вынужденных и термогравитационных течений:Сб.науч.тр. -Новосибирск, 1983. - С.I07-I2I.

2. Semenor V.l. • Simifat pio&Cems. of sleady- s,iak lam in at hee convedion on a veiiccal p?aie//Heat Tiansfet-S>ov. /?es.-m.~ Vof. 16, NZ- P. 69-85.

3. Семенов В.И., Гапонов В.А. Ламинарная свободная конвекция на изотермической вертикальной пластине в стратифицированной жидкости//Проблеш гидромеханики в освоении океана: Материалы Ш-й Республиканской конференции по прикладной гидромеханике. - Киев, 1984. - 4.1 - С.159-160.

4. Гапонов Б.А., Семенов ь.и. Свободная конвекция у изотермической вертикальной пластины в стратифицированной жидкости// Весци АН.БССР.Сер.физ.-энерг.навук. - 1985. - №3. - С.80-84.

5. Семенов В.И. Об автомодельных задачах стационарной термогра-витацяонной конвекции на внешней поверхности вертикального вдлиндра//Структура гидродинамических потоков (вынужденное течение, тепловая конвекция):Сб.науч.тр. - Новосибирск,1986. - С. 67-81.

6. Семенов В.И. О термогравитационной конвекции у изотермических вертикальных поверхностей в стратифицированной жидкости// Процессы переноса в вынужденных и свободно-конвективных течениях:Сб.науч.тр. - Новосибирск, 1987. - С.96-107.

7. Бердников B.C., Дятлов A.B., Семенов В.И. Структура термогравитационной конвекции в вертикальном слое жидкости и на вертикальной стенке при переходном режиме течения/ДГроцессы переноса в вынужденных и свободноконвективных течениях:Сб. науч.тр. - Новосибирск, 1987. - С.71-95.

8. Бердников B.C., Дятлов A.B., Семенов В.И. Термогравитационная конвекция у вертикальных поверхностей теплообмена при переходных режимах теченвд//Теплообмен и трение в однофазных потоках: Сб.науч.тр. - Новосибирск, 1988. - С.5-26.

9. Талонов В.А., Ицкович Е.И., Семенов В.И. Автоматизация градиентных измерений при исследовании естественноконвектив-ного теплообмена у вертикальной стенки//Автоматизавдя научных исследований в теплофизике и энергетике: Сб.науч.тр. -Новосибирск, 1989. - С.37-40.

Рис.1 Расчетные профили скорости и температуры у изотермической плоской вертикальной поверхности в устойчиво стратифицированной по линейному закону жидкости.

о -0,2

Д|Л

0,04

0,03 0,02 0,01 0

-0.01

Рис.2 Расчетные автомодельные и измеренные профили скорости и температуры у изотермической плоской вертикальной поверхности в устойчиво стратифицированной жидкости.

>1

'А

/

/ / / /

о г ч в в ю >г р

Рис.3

Расчетные профили скорости Р=и/и$ и температуры

у изотермического вертикального цилиндра в устойчиво стратифицированной по линейному закону жидкости для р! = 7 и различных безразмерных радиусов цилиндра 1а/$

0 2 4 б в 10 р

-т

3,0

V-V

т в?

цб

Рис.4

• Зависимость значений - 0(0) и Р(0) от безразмерного радиуса цилиндра ^сЛ дай Р± =

• 0,7; 103.

я

Т(х,0)-Тк тМ-Тс

«и*

Рис.5 Конфигурация рабочего участка экспериментальной установки.

0.5 0,25 0

-0.25

У.И1

I = 269 ш

у Ках . 3,3'ГО

/

I - 132 ии

К V

. 1 1--1-1— . .„1-

и.би

ж/б 6

4

г о -2

1«/в

6

4

2 О

Рис.6

Измеренные профили температуры, скорости и среднеквадратичных отклонений скорости в различных по режиму течения областях пограничного слоя.

9

□ 4

0,16 о,а

ДО8

9- с о

• о о о

• • о >

ч о гО к

к ш 3 !/

От, К 0,32

0,16

I

021

137 ЗМ

11111

11 г? цг 55 дз

551

I I

14 16

х,нп

Рис.7

Зависимость от высоты X локальной теплоотдачи а. и среднеквадратичных значений температуры Ст при У = 2 мм.

о

х= тнн/Яах* 10е

Рис.8 Спектральная плотность пульсаций температуры в пограничном слое на разной высоте х при у = 2 мм.

— 1 618 з-ю10 1]

552 2,6-1010-1

486 2.1010 -1

420 1,4-10И-|

354 е,5-1о9 —[

288 4,6-Ю9 -

222 2,Я Ш9 -

156 1-Ю3 -

90 2,2-Ю8 -

24 3,9-ГО6 -

К

• « 0 с

< « ■ о > о

V- 0

\ > Л

-л °

С 5 0 о

1 <

ао8

0,(2 о(( к&г/(мг-К)

Рис.9 Пространственная форма течения, локальная теплоотдача с( и её среднеквадратичное отклонение б"* в зависимости от высоты X .

ОБОЗНАЧИМ!

г,*,*

9

V, % а, Л

Р±=У/а и.,ту

Т

Тит

тто %

*

ЧьД 9з

Тгп(х)

- декартовы прямоугольные координаты:

ее - продольная, у '- поперечная, % -трансверсальная координаты;

- цилиндрические координаты: Ь — радиус-вектор, У - полярный угол, х - аппликата ;

- ускорение силы тяжести;

- соответственно коэффициенты кинематической вязкости, объемного расширения, температуропроводности и теплопроводности;

- число Прандтля;

- продольная и поперечная компоненты скорости;

- температура жидкости;

- температура поверхности;

- температура жидкости вне пограничного слоя;

- плотность теплового потока с поверхности;

- функция тока;

- масштабы скорости, длины и температуры;

- безразмерная переменная;

- безразмерные функции;

- число Рэлея;

- температура в середине полости между поверхностями теплообмена