Тепломассообмен и трение в криволинейных и закрученных турбулентных пристенных течениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АЭРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА В КАНАЛЕ.

1.1. Основные закономерности аэродинамики закрученных потоков.

1.2. Тепломассообмен и трение в закрученных потоках.

1.3. Влияние массовых сил на турбулентный перенос.

2. ТУРБУЛЕНТНЫЙ ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ НА КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

2.1. Учет влияния массовых сил на турбулентный перенос вблизи криволинейной поверхности.

2.2. Закон тепломассообмена и трения для турбулентного пограничного слоя на криволинейной поверхности.

2.3. Решение интегрального соотношения импульса на криволинейной поверхности. Сопоставление с экспериментом.

2.4. Аппроксимации расчетных зависимостей и некоторые частные случаи течения вблизи криволинейной поверхности.

3. ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ ПОЛНОСТЬЮ ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА

В КАНАЛЕ.

- з

3.1. Решение уравнений импульса и энергии для пограничного слоя закрученного потока.

3.2. Влияние массовых сил на турбулентный перенос в закрученном течении.

3.3. Анализ полученных результатов и сравнение с экспериментальными данными.

4. ЗАКРУЧЕННАЯ ГАЗОВАЯ ЗАВЕСА.

4.1. Аналогия между изменением циркуляции и безразмерной адиабатической температуры в закрученной завесе.

4.2. Влияние закрутки потока и неизотермичности на заполненность профиля скорости.

4.3. Расчет длины начального участка закрученной газовой завесы.

4.4. Потери закрутки потока на трение в канале.

4.5. Оценка влияния различных факторов на эффективность завесы, закрутку потока и теплообмен.

4.6. Экспериментальное исследование закрученной завесы и анализ полученных результатов.

5. ЗАКРУЧЕННАЯ ПРИСТЕННАЯ СТРУЯ СО СЛАБОЙ СПУТНОСТЬЮ. . . Цб

5.1. Аэродинамика закрученной пристенной струи, т > i )

5.2. Теплообмен закрученной струи со стенкой при наличии и отсутствии диафрагмы на выходе из канала.

ВЫВОДЫ.

Актуальность задачи. Закрученные течения и течения вблизи криволинейных поверхностей широко используются в плазменных вихревых аппаратах, пылеуловителях, турбинах и других технических устройствах. Экспериментальное исследование процессов переноса в закрученных турбулентных течениях и создание простых методов расчета, основанных на анализе физических явлений происходящих в закрученных течениях, является важной и актуальной задачей при проектировании конкретных устройств.

Имеющиеся эмпирические обобщения процессов тепломассообмена в вихревых аппаратах, как правило, носят частный характер и могут применяться к конкретному виду технического устройства в исследованном диапазоне параметров. При изменении масштабов устройства или расходных характеристик газа, протекающего через устройство,такие зависимости могут нарушаться.

Имеются также методы расчета,основанные на решении уравнений в частных производных для переноса средних и турбулентных характеристик. Несмотря на то, что эти методы основаны на моделировании физических процессов, происходящих в закрученных потоках, они не получили широкого распространения при проектировании технических устройств в силу своей сложности.

Представляет определенный интерес создание методов расчета, основанных на анализе физических механизмов турбулентного переноса и обладающих определенной общностью и достаточной простотой для проведения инженерных расчетов.

Экспериментальное исследование процесса тепломассопереноса в вихревой камере и в каналах,при наличии закрутки потока,представляет большой интерес. В связи с этим, важным для понимания и проведения расчетов тепломассообмена является установлениеобщих закономерностей для закрученного и незакрученного пограничного слоя.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование процессов турбулентного переноса в пограничном слое закрученного потока и течения вблизи криволинейной стенки, при различных способах организации течения. В работе ставилась задача создания простых, но достаточно общих расчетных методик для описания процессов тепломассообмена в закрученных и криволинейных потоках и их экспериментальная проверка.

Научная новизна работы состоит в создании метода расчета тепломассопереноса в пограничном слое закрученного и криволинейного потоков основанного на решении уравнения энергии с учетом совместного влияния закрутки, неизотермичности, массовых сил и физических свойств среды, а также в экспериментальной проверке полученных зависимостей.

Автором выносятся на защиту:1. Метод расчета теплообмена и трения в пограничном слое вблизи криволинейной поверхности,с учетом влияния центробежных сил на турбулентный перенос.

2. Метод расчета теплообмена и трения в пограничном слое закрученного потока, основанный на решении уравнений импульса и энергии для пограничного слоя.

3. Экспериментальные результаты и методика расчета теплообмена при наличии закрученной газовой завесы.

4. Экспериментальные результаты по теплообмену и расчетные зависимости для закрученных пристенных струй.

Работа выполнена в лаборатории термохимической аэродинамики Института теплофизики СО АН СССР по темам 81030084 и 8I03008I. Автор глубоко благодарен научному руководителю, д.т.н., профессору Э.П.Волчкову за постановку исследования ипостоянную помощь и поддержку в проведении исследований и обсуждении результатов работы. Автор также признателен к.т.н. В.И.Терехову за руководство и участие при проведении расчетов и к.т.н. В.П.Лебедеву за руководство и участие при проведении экспериментальных исследований.

вывода

1. Для учета влияния центробежных сил на теплообмен и трение, впервые разработана модель турбулентного переноса тепла и импульса без привлечения дополнительных эмпирических констант. Получены простые зависимости дом расчета теплообмена и трения в криволинейных и закрученных течениях с учетом центробежных эффектов•

2. Для тонкого пограничного слоя закрученного потока впервые получены зависимости по трению и теплообмену, которые в координатах линий тока переходят в законы трения и теплообмена на пластине.

3. Показано,что влияние центробежных сил на интенсификацию тепломассообмена может значительно превышать влияние увеличения скорости цри закрутке потока, и в некоторых случаях увеличивает теплоотдачу приблизительно в два раза. Общая максимальная интенсификация теплообмена за счет закрутки потока составляла 300$.

4. Установлена аналогия между тепловой эффективностью газовой завесы и изменением циркуляции потока по длине канала. Влияние закрутки и неизотермичности на эффективность завесы и закон изменения циркуляции скорости по длине канала мало.

5. Центробежные силы вызывают глубокую перестройку средних и турбулентных характеристик закрученных завес и пристенных струй. Наличие во внешней области пристенной закрученной струи зоны с подавлением турбулентности («dP/dr > о ) приводит к уменьшению заполненности профиля аксиальной скорости и к снижению влияния центробежных сил на интенсификацию теплообмена со стенкой канала.

1. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физмат-гиз, 1.60. - 715 с.

2. Алимов Р.З. Гидравлическое сопротивление и тепломассообмен в закрученном потоке. ИФЖ, 1966, т.Х, №4,с.436-446.

3. Браун Бартон. Влияние интенсивности турбулентности и распределения скорости во внешнем потоке на теплопередачу к криволинейной поверхности. Энергетические машины и установки, 1978, №1, с.179-189.

4. Брэдшоу. Сложные турбулентные течения (обзор). Теоретические основы инженерных расчетов, 1975, №2, c.IOI-III.

5. Бухман М.А., Устименко Б.П. К расчету конвективного теплообмена в циклонной камере. В кн.: Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Алма-Ата 1971, вып.7,с.213-219.

6. Бэкшелл, Лэндис. Распределение скорости в пограничном слое для турбулентного закрученного потока в трубе. Теор. основы инж. расчетов, 1969, №4, с.174-179.

7. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. М.: Мир, 1973. - 542 с.

8. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматгиз, 1963. - 471 с.

9. Веске Д.Р., Стуров Г.Е. Экспериментальное исследование турбулентного закрученного течения в цилиндрической трубе. Изв. СО АН СССР, сер. техн. наук, 1972, №13, вып.З, с.3-7.

10. Владимиров В.А. Устойчивость течения типа смерча. -Динамика сплошной среды. Новосибирск, 1978, вып.37, с.50-62.

11. Владимиров В.А., Тарасов В.Ф. 0 свойствах упругости закрученных потоков. Докл. АН СССР, 1980, т.253,с.565-568.

12. Волчков Э.П. Пристенные газовые завесы. Новосибирск, Наука 1983, 240 с.

13. Волчков Э.П., Никитин П.В. Турбулентная затопленная пристенная струя воздуха на выгорающей графитовой поверхности. ПМТФ, 1971, №1, с.60-67.

14. Волчков Э.П., Лебедев В.П., Шишкин Н.Б. Эффективность закрученной газовой завесы на адиабатической поверхности.-В кн.: Вихревой эффект и его применение в технике. Куйбышев, 1976, с.217-220.

15. Волчков Э.П., Спотарь С.Ю., Терехов В.И. Массообмен на выгорающей поверхности в условиях закрученной газовой завесы. В кн.: Структура пристенного пограничного слоя. Новосибирск, 1978, с.64-80.

16. Волчков Э.П., Спотарь С.Ю., Терехов В.И. Турбулентный тепломассообмен в начальном участке трубы при закрутке потока. Материалы У1 Всесоюзн. конф. по тепломассообмену (Минск, сентябрь 1980), Минск, ИТМ0 АН БССР, 1980, т.1,ч.III, с.48-59.

17. Волчков Э.П., Спотарь С.Ю., Терехов В.И. Закрученная пристенная струя в цилиндрическом канале. Новосибирск,1982. 42 с. (Препринт 84-82 Ин-та теплофизики СО АН СССР).

18. Волчков Э.П., Дворников Н.А., Терехов В.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое закрученногопотока. Новосибирск, 1983. - 46 с. (Препринт 107-83 Ин-та теплофизики СО АН СССР).

19. Волчков Э.П., Лебедев В.П., Шишкин Н.Б. Экспериментальное исследование газовой завесы в трубе. Известия СО АН СССР, сер. техн. наук, 1983, *3, выпД, с.25-29.

20. Вольф, Лейвен, Фиджер. Измерение затухания вращательного движения в трубе. РТ и К, 1969, т.7, JP6, с.214-215.

21. Гинзбург И.П. Теория сопротивления и теплопередачи. Л., Издательство Ленинградского университета, 1970, 376 с.

22. Голубев И.Ф. Вязкость газов и газовых смесей. М.: Физматгиз, 1959, 375 с.

23. Гольдштик М.А. Закрученный поток несжимаемой жидкости в круглой трубе. Изв. АН СССР, ОТН, 1958, #12, с.24-31.

24. Гольдштик М.А., Леонтьев А.К., Палеев И.И. Движение мелких частиц в закрученном потоке. ИФЖ, I960, т.З, №2, с.17-24.

25. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск, Наука, 1981. - 366 с.

26. Гостинцев Ю.А. Тепломассообмен и гидравлическое сопротивление при течении по трубе вращающейся жидкости. Изв.

27. АН СССР, МЖГ, 1968, *б, с.115-119.

28. Гродзовский Г.Л. О движении мелких частиц в газовом потоке. Труды ЦАГИ, 1976, вып. 1755, с.80-89.

29. Дворников Н.А., Лебедев В.П., Шишкин Н.Б. Закрученная газовая завеса в цилиндрическом канале. В кн.: Структура пристенного пограничного слоя. Новосибирск, Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1978, с.81-100.

30. Дворников Н.А. Теплообмен в цилиндрическом канале при закрутке периферийного потока. В кн.: Теплофизические исследования. Под ред. С.С.Яутателадзе, Новосибирск, 1977, с.115-118.

31. Дворников Н.А., Терехов 6.И. Динамика и тепломассообмен частиц в вихревой камере с приосевым плазменным потоком. Изв. СО АН СССР, 1983, №8, вып.2, с.74-82.

32. Дворников Н.А., Спотарь С.Ю. Тепломассообмен в пристенной закрученной струе. В кн.: Гидрогазодинамикаи теплообмен в конденсированных средах. Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1981, с.59-64.

33. Делягин Г.Н. Конвективный теплообмен в завихренном потоке под давлением. В кн.: Новые методы сжигания топлив и вопросы теории горения. Труды Ин-та горючих ископаемых. М., 1962, t.XIX, Из-во АН СССР.

34. Джонстон. Устойчивость вращающихся стратифицированных жидкостей. РТиК, 1972, т.10, №10, с.131-132.

35. Джонстон. Подавление турбулентности в течениях со сдвигом во вращающихся системах. Теор. основы инж. расчетов, 1973, т.95, №2, с.131-140.

36. Джонстон, Э#ц. Турбулентный пограничный слой на лопатках центробежного компрессора. Теор. основы инж. расчетов, 1976, т.98, №3, с.139-147.

37. Добринский Э.К., Урюков Б.А., Фридберг А.Э. Исследование стабилизации плазменной струи газовым вихрем. Изв.

38. СО АН СССР, сер. техн. наук, 1979, вып.2, №8, с.42-49.

39. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Д.: Наука, 1974. - 107 с.

40. Ибрагимов М.Х., Номофилов В.Ё., Субботин В.И. Теплоотдача и гидравлическое сопротивление при винтовом движении жидкости в трубе. Теплоэнергетика, 1961, W7, с.57-60.

41. Кайданик А.Н. Поля температур в вихревой цилиндрической камере. В кн.: Теплофизические исследования. Под ред. С.С.Кутателадзе, Новосибирск, 1977, с.119-123.

42. Калашников В.Н., Райский Ю.Д., Тункель Л.Б. 0 возвратном течении закрученной жидкости в трубе. Изв. АН СССР, МЖГ, 1970, И, с. 185-188.

43. Карлсон, Хоглунд. Сопротивление и теплопередача частиц в соплах ракетных двигателей. РТиК, 1963, №11, с. 104-109.

44. Кислых В.И., Балдинов Г.Р. Исследование характеристик вихревых камер с разрядом в приосевой зоне. В кн.: 8 Все-союз. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. Тез. докл., Новосибирск, 1980, ч.З, с.53-56.

45. Ковальногов А.Ф., Щукин В.К. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубах с лопаточными завихрителями. -ИФЖ, 1968, т.Х1У, №2, с.239-247.

46. Корино Б.Р., Бродки Р.С. Визуальное исследование пристеночной области в турбулентном течении. Механика, 1971, №1, с.56-82.

47. Кузнецов Л.А., Сударев А.В. Теплоотдача закрученной струи воздуха при движении по внутренней поверхности цилиндра. -Энергомашиностроение, 1968, №1, с.18-21.

48. Кузьмин В.В., Пустовойт Ю.А., Фафурин А.В. Экспериментальное определение пристеночного трения при движении закрученного потока в цилиндрическом канале. В кн.: Вихревой эффект и его применение в технике. Куйбышев, 1976,с.183-186.

49. Кусинлин, Локвуд. Расчет осесимметричных турбулентных закрученных пограничных слоев. РТиК, 1974, т.12, №4,с.168-177.

50. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиз-дат, 1979, 416 с.

51. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергия, 1972. -342 с.

52. Лянэ Р.П., Иванов Ю.П. Развитие и перемешивание соосной струи в осесимметричном закрученном потоке. Изв. АН Эстонской ССР, сер. физ. и матем. наук, 1971, т.20, №1,с.58-65.

53. Маккормак, Уилкер, Келхер. Вихри Тейлора-Гертлера и их влияние на теплообмен. Теплопередача, 1970, т.92, №2, с.106-118.

54. Мейл, Коппер, Блэр, Бейли. Влияние кривизны линии тока на завесное охлаждение. Энергетические машины и установки, 1977, М, с.87-93.

55. Мейл Блейр, Коппер. Теплообмен в турбулентных погранична слоях на криволинейных поверхностях. Теплопередача, 1979, *3, с.169-175.

56. Мерони, Брэдшоу. Развитие турбулентного пограничного слоя искривленной поверхности. РТиК, 1975, т.13, №11,с.158-169.

57. Мигай В.К. Трение и теплообмен закрученного потока внутри трубы. Изв. АН СССР, сер. Энергетика и транспорт, 1966, #5, с.143-151.

58. Мигай В.К., Голубев Л.К. Трение и теплообмен в турбулентном закрученном потоке с переменной круткой в трубе. Изв.

59. АН СССР, сер. Энергетика и транспорт, 1969, №6, с.141-145.

60. Нарежный Э.Г., Сударев А.В. Локальная теплоотдача при движении воздуха в трубах с завихрителем, установленным на входе. Изв. вузов, сер. Энергетика, 1970, #6, с.74-78.

61. Николаев А.В. Плазменно дуговой нагрев вещества. В кн.: Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов. М.: Наука, 1973.

62. Новиков И.И. Теплообмен при поступательном вращательном течении жидкости в трубе. - Измерительная техника, 1966, *8, с.37-40.

63. Новожилов В.В. О расчете турбулентного течения между двумя соосными вращающимися цилиндрами. Докл. АН СССР, 1981, 258, №6, с.1337-134I.

64. Нурсте Х.О. Затухание закрутки потока в трубе круглого сечения. Изв. АН Эстонской ССР, сер. физ. и мате»., 1973, т.ХХП, И, с.77-82.

65. Рамаприан, Шивапрасад. Результаты измерения средних параметров течения в турбулентных пограничных слоях на слабо искривленных поверхностях. РТиК, 1977, т.15, #2, с.74-83.

66. Репухов В.М. Тепловая защита стенки вдувом газа. Киев, Наукова думка, 1977, 216 с.

67. Рочино, Лэвэн. Аналитическое исследование несжимаемого турбулентного закрученного потока в неподвижных трубах. -Прикладная механика, 1969, т.36, №2, с.7-16.

68. Рэти, Чандра. Гидродинамическая устойчивость спиральных течений с градиентом плотности. РТиК, 1973, т.II, №4,с.151-152.

69. Симонич, Брэдшоу. Влияние турбулентности внешнего потока на теплообмен в турбулентном пограничном слое. Теплопередача, 1978, т.100, №4, с.122-129.

70. Смитберг, Лэндис. Трение и характеристика теплообмена при вынужденной конвекции в трубах с завихрителями из скрученной ленты. Теплопередача, 1964, т.86, №1, с.52-64.

71. Собин В.М., Ершов А.И. Исследование структуры и гидравлического сопротивления турбулентного закрученного потокав коротких трубах. Изв. АН БССР, сер. физ.-энерг. наук, 1972, *3, с.56-61.

72. Coy. Интегральные уравнения имцульсов для пограничного слоя на искривленной поверхности. Теор. основы инж. расчетов, 1975, т.97, №2, с.215-217.

73. Спотарь С.Ю. Выгорание графитовой поверхности в условиях закрученной газовой завесы. В кн.: Теплофизика и физическая гидродинамика. Новосибирск, Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1978, с.94-98.

74. Спотарь С.Ю. Неизотермический турбулентный пограничный слой на криволинейной поверхности. В кн.: Физическая гидродинамика и тепловые процессы. Новосибирск, Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1980, с.10-16.

75. Стуров Г.Е. Приближенный расчет развития закрученного потока вязкой несжимаемой жидкости в длинной цилиндрической трубе. В кн.: Некоторые вопр. иссл. вихр. эффектаи его пром. применения. Куйбышев, 1974, с.211-219.

76. Сударев А.В. Исследование аэродинамики закрученного потока воздуха при течении внутри трубы. Тр. ЛКИ, 1967, вып.57, с.121-130.

77. Сухович Ё.П. Экспериментальное исследование струйного смешения в ограниченном закрученном потоке. Изв. АН Латвийской ССР, сер. физ. и техн. наук, 1975, №2, с.57-63.

78. Сухович Е.П. Конвективный теплообмен ограниченного струйного течения в поле центробежных сил. В кн.: Тепломас-сообмен-5 Минск, 1976, т.1, 4.2, с.172-176.

79. Сухович Е.П. Конвективный теплообмен при турбулентном смешении ограниченных коаксиальных струй. Изв. СО АН СССР, сер. техн. наук, 1978, №3, вып.1, с.24-31.

80. Сухович Е.П. Экспериментальное исследование локальных характеристик закрученного турбулентного течения в цилиндрическом канале. Изв. СО АН СССР, 1978, #8, вып.2;с.91-100.

81. Сухович Е.П. Модели турбулентности второго порядка для описания течений с искривленными линиями тока. Изв. АН Латв. ССР, сер. физ. и техн. наук, 1982, №6, 85-93.

82. Теплофизические свойства веществ. Справочник под ред. Варгафтика Н.Б., Госэнергоиздат, 1956.

83. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Под ред. Глушко В.П. М.: 1962, т.1, 2.

84. Тонконогий А.В., Выпенский В.В. Исследование конвективного теплообмена на моделях циклонных камер. В кн.: Проблемытеплоэнергетики и прикладной теплофизики. Алма-Ата, 1964, вып.1, с.183-205.

85. Уилкокс, Чеймберс. Влияние кривизны линий тока на характеристики турбулентных пограничных слоев. РТиК, 1977, т.15, №4, с.152-161.

86. Устименко Б.П., Бухман М.А. Турбулентная структура потока в циклонной камере. Теплоэнергетика, 1968, №2, с.64-67.

87. Устименко Б.П. Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях. Алма-Ата: Наука, 1977. - 228 с.

88. Устименко Б.П., Ибрагимов И.И., Бурминский Э.П. Экспериментальное исследование поля температуры в закрученной полуограниченной турбулентной струе в спутном потоке.

89. В кн.: Проблемы теплоэнерг. и прикл. теплофиэ., Алма-Ата, 1966, вып.З, с.124-134.

90. Устименко Б.П., Ибрагимов И.И. К расчету аэродинамики турбулентной закрученной струи, развивающейся вдоль цилиндрической стенки в спутном потоке. В кн.: Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики, 1966, вып.З, с.135-147.

91. Филиппов Г.В., Шахов В.Г. Турбулентный пограничный слой начальных участков осесимметричных каналов при наличии закрутки на входе. ИФЖ, 1969, т.ХУП, №1, с.95-102.

92. Хендрикс, Брайтон. Расчет влияния закрутки и начальной кинетической энергии турбулентности на смешение ограниченных струй. Теоретические основы инженерных расчетов, 1975, №1, с.156-166.

93. Холодкова 0.S3., Фафурин А.В. Экспериментальное исследование теплоотдачи в цилиндрическом канале при наличии начальной закрутки и вдуве различных газов. Тр. КАИ, 1974,вып.178, с.20-27.

94. Чеймберс, Уилкокс. Критическое исследование двухпараметри-ческих моделей замыкания системы уравнений турбулентного пограничного слоя. РГиК, 1977,т.15, №6, с.68-77.

95. Шахов В.Г. О гипотезе турбулентности в пространственных пограничных слоях. Труды КуАИ, 1971, вып.35, с.102-108.

96. Червинский. Подобие осесимметричных вращающихся струй. -РТиК, 1968, т.6, №5, с. 198-200.

97. Шишкин Н.Е. Распределение температуры скорости газа в трубе при струйном смешении в закрученном потоке. В кн.: Вихревой эффект и его промышленное применение. Куйбышев, КуАИ, 1981» с.371-375.

98. Шишкин Н.Е., Дворников Н.А. Структура вращающегося потока газа в кольцевой щели и эффективность закрученной газовой завесы. Изв. СО АН СССР, сер. техн. наук, 1977, вып.1, №3, с.35-39.

99. Шивапрасад, Рамаприан. Измерение турбулентности в пограничных слоях на умеренно искривленных поверхностях. -Теор. основы инж. расчетов, 1978, т.100, №1, с.158-169.

100. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974, 712 с.

101. Шнейдерман М.Ф., Ершов А.И. О влиянии закрутки потока на распределение скоростей и температур в круглой трубе. -ИФЖ, 1975, 28, №4, с.630-635.

102. Щукин А.В. Турбулентный пограничный слой на криволинейной поверхности. Изв. вузов, сер. Авиац. техника, 1978, №3, с.I13-120.

103. Щукин В.К., Летягин В.Г., Халатов А.А. Некоторые результаты исследования турбулентного пограничного слоя закрученного потока с помощью термоанемометра. Труды КАИ, 1975, вып.194, с.26-33.

104. Щукин В.К., Халатов А.А., Голдобеев В.И., Летягин В.Г.

105. О причинах интенсификации теплоотдачи при закрутке газового потока в трубе. Тр. КАИ, 1975, вып.194, с.22-26.

106. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. -М.- М.: Машиностроение, 1982, 200 с.

107. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 240 с.

108. Эль-Тахер P.M. Автомодельность течения в пристеночных струях с протоком. РТиК, 1982, т.20, №3, с.3-8.

109. Bradshaw P. The analogy between streamline curvature and buoyancy in turbulent shear flow. J. Fluid Mech., 1969, v.36, pt.1, p.177-191.

110. Carlson D.J., Hoglynd R.F. Particle drag and heat transfer in rocket nozzles. AIAA J., 1964, v.2, N 11.

111. Dvornikov N.A., Lebedev V.P. and Shishkin N.YE. Swirled film cooling of cylindrical channels. Heat Transfer. Soviet Research. 1980, v.12, Ж 6, p.1-20.

112. Eshkinazi, Yeh. An investigation on fully developed turbulent flows in a curved channel. Journal of the Aeronautical Sciences. 1956, vol.23, N 1, p.23-34.

113. Gibson M.M., Rodi W. A Reynolds stress closure model of turbulence applied to the calculation of a highly curved mixing layer. J. Fluid Mech., 1981, vol.103, p.161-182.

114. Gillis J.C., Johnston J.P., Kays W.M. and Moffat R.J. Turbulent boundary layer on a convex, curved surface.

115. Report No HMT-31, Stanford University, 1980, p.295.

116. Ito S., Ogawa K., Kuroda C. Decay process of swirling flow in a circular pipe. Intern. Chem. Eng., 1979, v.19, No 4, p.600-605.

117. Irwin H.P.A.H., Smith P.A. Prediction of the effects streamline curvature on turbulence. Phys. of Fluids, 1975, v.18, No 6, p.624-630.

118. Kavanau L. Heat transfer from spheres to a rarefied gas in subsonic flow. Trans. ASME, 1955, v.77, No 5,p.617.

119. King M.K., Rothfus R.R., Kermode R.I. Static pressure and velocity profiles in swirling incompressible tube flow. A.I.Ch.E. Journal, 1969, v.15, No 6, p.837-842.

120. Kreith F. The influence of curvature on heat transfer to incomprossible fluids. Trans. ASME, 1955, v.77, No 8, p.1247-1256.

121. Kreith F. , Sonju O.K. The decay of turbulent swirl in pipe. J. Fluid Mech., 1965, vol.22, No 2, p.257-271.

122. Murakami M., Kito 0., Katayama Yu., Iida Yo. An experimental study of swirling flow in pipes. Bulletin of the JSME, 1976, v.19, No 128, p.118-126.

123. Nissan A.H., Bresan V.P. Swirling flow in cylinders. -A.I.Ch.E. Journal, 1961, v.7, No 4, p.543-550.

124. Prandtl L. Gesemelte Abhandlungen. Zweiter Teil. -Springer - Verlag, Berlin, Gottingen, Heidelberg, 1961, s.798-811.

125. Rietema K., Krajenbrink H.J. Theoretical derivation of tangential velocity profiles in flat vortex chamberinfluence of turbulence and wall friction. Appl. Sci, Res., 1959, Sect. A, v.8, p.177-197.

126. Rotta J.C. Effect of streamwise wall curvature on compressible boundary layers. Phys. Fluids, Suppl. 1967, v. 10, pt.2, No 9, p.174-180.

127. Seban R.A., Back L.H. Velocity and temperature profiles in a wall jet. Int Journ. of Heat and Mass Transfer, 1961, v.3, No 4, p.255-265.

128. Seban R.A. Heat transfer and effectiveness for a turbulent boundary layer with tangential fluid injection. -Trans. ASME, ser.C, J. of heat transfer, 1960, v;82,1. No 4, p.303-312.

129. Seban R.A., Hunsbedt A. Friction and Reat transfer in the swirl flow of water in an annulus. Int. J. Heat and Mass Transf., 1973, vol.16, N 2, р.ЗОЗ-ЗЮ.

130. Smith A.J. Young S.T.B., Bradshaw P. The effect of short regions of high surface curvature on turbulent boundary layers. Journ. of Fluid Mech. vol.94, pt.2, p.,209-242.

131. So B.M.C. A turbulent velocity scale for curved shear flows. J. Fluid Mech., 1975, vol.70, pt.1, p.35-70.

132. So R.M.C. Heat transfer modeling for turbulent shear flows on curved surfaces. Journ. of Applied Mathematics and Physics, vol. 32, 1981, p.514-532.1

133. So R.M.C., Mellor G.L. Experiments on turbulent boundary layers on a concave wall. The Aeronautic Qurterly 1975, vol.26, N 11, p.25-40.

134. So R.M.C., Mellor G.L. Experiments on convex curvature effects in turbulent boundary layers. Journ. of Fluid

135. Mech. 1973, vol.60, N 1, p.43-62.

136. Thomann H. Effects of streamline curvature on transfer in a turbulent boundary layer. J. Fluid Mech., 1965, v.33, Ho 2, p.283-292.

137. Volchkov E.P., Lebedev V.P., Shiskin N.E., Dvornikov N.A. Investigation of swirling film cooling in the initial tube section. 6-th Int. Heat Transfer Gonf., Toronto, 1978, v.5, Ottawa, p.291-295.

138. Yajnik K.S., Subbaiah M.V. Experiments on swirling turbulent flows. Part 1. Similarity in swirling flows. -J. Fluid Mech., 1973, v.60, pt.4, p.665-687.

139. Yeh H. Boundary layer along annular walls in a swirling flows. Trans, of the ASME, 1958, v.80, No 4, p.767-776.

140. Wattendorf F.L. A study of the effect of curvature on fully developed turbulent flow. Proc. Roy. Soc., London, 1935, A 865, vol.148, p.565-598.

141. Zaherzaden N.H., Jagadish B.S., Heat transfer in swirl flows. Int. Journ. of Heat and Mass Transfer, 1975, v.18, No 7/8, p.941-944.1. ПРШЮЖЕНИЕ I

142. ПРОЦЕСС ТЕПЛООБМЕНА В ВИХРЕВОМ ПЛАЗМЕННОМ РЕАКТОРЕ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ПОРОШКА МЕТАЛЛА

143. Постановка задачи. Динамика частицы в вихревой камере

144. Процесс движения частиц в плазменном вихревом реакторе и их нагрев в столбе плазмы с последующим охлаждением в перифе

145. Здесь М7^ , Wr и U<t * Ur окружная и радиальная компоненты скорости частицы и газа соответственно, оС - Ufa/Р коэффициент Стокса, q и р - диаметр и плотность частицы, рэ - эффективная вязкость газа, -J^o^ кз •

146. Решение записано для следующих начальных условийг (о) =/; , г'(о) о. (5)

147. Здесь штрих означает дифференцирование по Т , Т = oL t безразмерное время, t время с момента попадания частицы в плазменный поток

148. Поправка на влияние инерционных сил, используемая в27,43. и других работах имеет вид1. К, = i + 0,iSf?r' «>

149. Влияние сжимаемости согласно 43. можно учитывать выражениемкг / *вхр - о, 42 7/М ~ 3/?/'". . (9)

150. При значении числа Маха М < 0} 6 сжимаемость на сопротивление движению частиц не сказывается и К^ « /.

151. Влияние разреженности среды в работе 27. предлагается учитывать по следующей формулекз = и + ъ9ъ Кп)"\ (Ю)которая является аппроксимацией результатов работы 43. ; здесь Кп — £ /s ~ число Кнудсена, £ длина свободного пробега молекул.

152. Подробно результаты исследования динамики частиц будут рассмотрены ниже.

153. Теплообмен частиц в вихревой камере с плазменнымстолбом

154. Баланс энергии в процессе прогрева частицы при отсутствии фазовых превращений можно записать в следующем видеcLQkohb ~~ ^внущр .13)

155. Nu„ = Z + o,bSfo Pr +o,03#e Pr . (14)

156. При < / уравнение (14) преобразуется к виду A/u^ % .

157. Влияние разреженности среды на теплообмен частиц с газом будем учитывать по формуле, полученной Кавено Пб.' + 1 /V«M Кп/Рг

158. Для воздуха коэффициент J в (15) равен .

159. Число Нуссельта А/иоэ в (14) и (15) необходимо рассчитывать по эффективной теплопроводности, выражение для которой при линейном изменении А9 от температуры может быть записано как

160. С учетом соотношений (14)-(16) уравнение (13) примет вид

161. А „п (Тпд -TS)(/+TS/TM ) NuB3 ■ r а* <">1 * 1 Nu0} Kn/Pr s fis 3

162. Это уравнение можно преобразовать к видуdT* л ,, (18)1. J-T*)(1 +Т*)1. Здесьfidt ., ^ д 3 А /7/7 NУрэт = 's/ • и^Л/и&Кл/РгЦьа

163. Интегрируя (18) с учетом начальных условий I ~ О, Т =*Т0 иобозначая £ = Тпп-Тр имеем1. Тплпл ' ' о19)1. Qkohb^ dQucn. (20)

164. Kl4n температура кипения частицы. Интегрируя это уравнение от времени начала кипения t0 , когда частица имеет диаметр а$о > получим изменение диаметра частицы по временив процессе ее испаренияaS -С, (£-t0)

165. Следует отметить, xito задача о прогреве частицы решалась в предположении, что температура частицы постоянна по ее диаметру. Это справедливо при числах Биоы « ^ -Л/и^ <0,1 .1. As 19 Xs

166. Здесь X 5 теплопроводность частицы.

167. Согласно уравнениям (14), (15) величина BL может быть определенад • и+ Т1/Т-) Ли»bL~ 1 *ZJKnfPr Ks <25>

168. Теплообмен между стенкой камеры и газовым потоком при попадании нагретых частиц на стенку аппарата

169. Индексом о здесь и далее обозначены параметры периферийного потока на выходе из щели. Проинтегрировав соотношение (29) получим зависимость

170. Qk Л "Р. Ч и0рш-11) J?s(L/sf%? ¥°;g (30)77 UQ Sгде л в0 = —)— число Рейнольдса по параметрам в щели.

171. Учитывая соотношения (28) и (30) из (27) можно получить выражение для равновесной температуры стенки

172. Т = А съ * < cPoUqRsTq U/sf4pZz cm Gs cfis * <6ipocPo u0 J?s(L/S^JH^- '

173. Величину Q определим из следующего соотношенияп I ( г- л (32)где G0 расход периферийного потока, a F^ - площадь щелей вихревого аппарата.

174. Обсуждение результатов расчета

175. Расчет проводился для вихревой камеры, имеющей следующие геометрические параметры длина L = 0,3 М , диаметр

176. Расход плазмообразующего газа был равен кг/с,а температура плазмы принимала значения 3500 К, 5000 К и 8000 К. Расчеты проводились применительно к плазме аргона.3

177. Рис.З. Изменение температуры частиц по радиусу вихревой камеры: I и 2 радиусы ввода частиц и столба плазмы соответственно; 3 - as -SO км} Тпл ^5000К,

178. С00 s 4*00 i 5 4 а, ~50М«М, Тпп =&0ООК,

179. СОо Ч&Оо{- ; 5 = 10MKN, Тпп - 5ООО К, 0Jo - 4SOO £ ; 6 - cts Т„„ - 5500/(со0 = ъоо £1. Z, Мо, ъ0,20,1о