Тепломассообмен в пристенных течениях со вдувом, фазовыми превращениями и горением

Терехов, Владимир Викторович

Тепломассообмен в пристенных течениях со вдувом, фазовыми превращениями и горением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Терехов, Владимир Викторович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Тепломассообмен в пристенных течениях со вдувом, фазовыми превращениями и горением»

Автореферат диссертации на тему "Тепломассообмен в пристенных течениях со вдувом, фазовыми превращениями и горением"

На правах рукописи

Терехов Владимир Викторович

ТЕПЛОМАССООБМЕН В ПРИСТЕННЫХ ТЕЧЕНИЯХ СО ВДУВОМ, ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ И ГОРЕНИЕМ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

О 3 ДПР 2014 005546585

Новосибирск - 2014

005546585

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Исаев Сергей Александрович - профессор Санкт-Петербургского университета гражданской авиации;

доктор физико-математических наук, профессор Федоров Александр Владимирович - заведующий лабораторией Института теоретической и прикладной механики СО РАН;

доктор физико-математических наук, профессор Харламов Сергей Николаевич - профессор Национального исследовательского Томского политехнического университета;

Ведущая организация:

Государственный научный центр Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова».

Защита состоится "23" апреля 2014 года в 930на заседании диссертационного совета Д 003.053.001 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр-т Академика Лавреньева, 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТ СО РАН Автореферат разослан "21." марта 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.ф.-м.н., профессор

Кузнецов Владимир Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Течения с фазовыми и химическими превращениями чрезвычайно широко распространены в авиационно-космической технике, химической технологии, энергетике. Экспериментальному и теоретическому изучению газодинамических и теплофизических процессов, сопровождающих газофазное горение, посвящено огромное количество работ, как у нас в стране, так и за рубежом. Подробно исследованы многие аспекты этой сложной проблемы. Однако в реальных условиях процессы горения, как правило, сопровождаются целым спектром сопутствующих факторов, таких как изменение агрегатного состояния, интенсивный вдув реагирующего вещества, повышенная степень турбулентности потока, наличие продольного градиента давления и др. Все это создает значительные трудности, как при экспериментальном, так и при математическом моделировании. Особенно сложными становятся экспериментальные методы исследования, погрешность которых может возрастать в связи с высоким уровнем температур, неравновесностью состава, ограниченностью, а порой и невозможностью использования зондовых методов диагностики.

В этой связи существенную роль начинает приобретать численное моделирование, которое позволяет оценить вклад того или иного фактора в общую картину процесса и проводить исследования в самом широком диапазоне параметров.

Рассматриваемые в диссертационной работе проблемы имеют и фундаментальный интерес. Понимание физического механизма взаимосвязи совместно протекающих процессов оказывается важным для создания новых теоретических моделей.

Цель работы состоит в численном исследовании структуры течения и тепломассообмена в ламинарных и турбулентных пристенных многокомпонентных потоках со вдувом инородных газов, при наличии фазовых переходов на пористой поверхности (испарение, конденсация), а также при вдуве химически реагирующих веществ. Были поставлены и решены следующие задачи:

• Исследование пограничного слоя на плоской поверхности с испарением или конденсацией, анализ влияния определяющих параметров на закономерности тепло- и массообмена;

• Выявление физического механизма воздействия факторов, сопровождающих процесс горения на процессы ламиниризации течения и последующей его турбулизации;

• Определение физических особенностей воздействия продольного градиента давления и сил плавучести на осредненные и пульсационные характеристики пограничного слоя, а также на трение и тепломассообмен как в реагирующем, так и в нереагирующем потоках;

• Определение условий стабильного горения в ламинарном и турбулентном пограничном слое и механизма погасания пламени;

• Изучение механизма стабилизации горения в отрывном пристенном потоке, получение закономерностей тепломассообмена в такого рода течениях.

Научная новизна представленной диссертационной работы заключается в разработке комплекса программ численного моделирования ламинарных и турбулентных течений при наличии вдува, фазовых превращений и горения. Проанализированы различные модели турбулентности и горения, установлены границы их применимости для изучаемых задач.

В результате моделирования определены границы применимости аналогии Рейнольдса для пограничных слоев с инородным вдувом, а также при наличии адиабатического испарения и конденсации парогазовой смеси.

Получены результаты численного моделирования, согласующиеся с экспериментальными данными по погасанию пламени в пристенном течении со вдувом топлива через пористую поверхность. Разработана принципиально новая модель погасания пламени в пограничном слое.

Впервые проанализирован вклад в тепломассоперенос всего спектра возмущающих факторов при горении в пограничном слое при вариации параметра вдува, фазовых переходов, продольного градиента давления, отрыва потока, неоднородности состава, сил плавучести и других факторов. Показано, что горение в пограничном слое приводит к сильному (в 3-5 раз) снижению трения по сравнением со случаем без горения.

Впервые теоретически показано, что отрицательный продольный градиент давления, как и ускоряющее влияние сил плавучести, приводит к сильной деформации профиля скорости в пограничном слое с горением, который принимает вид близкий к профилю скорости в пристенной струе. В отличие от нереагирующих потоков продольное ускорение вызывает интенсификацию процессов тепло- и массообмена.

Практическая значимость результатов заключается в получении ряда зависимостей и рекомендаций, позволяющих проводить инженерный анализ турбулентных пристенных течений со вдувом, фазовыми и химическими превращениями. Полученные закономерности снижения трения при совместном воздействии вдува и горения могут быть использованы для разработки методов снижения сопротивления тел при полете. Данные о тепломассообмене на пористой поверхности при фазовых и химических превращениях представляют интерес с точки зрения проектирования энергоустановок, при решении задач химической промышленности и проблем теплозащиты стенки в высокотемпературном потоке. Автор защищает

• Результаты численного моделирования процессов тепломассообмена в

ламинарных и турбулентных пограничных слоях с инородным

вдувом, испарением (конденсацией) и границы применимости тройной аналогии Рейнольдса для процессов тепломассообмена.

• Данные численного исследования и модель погасания пламени в

ламинарном и турбулентном пограничном слое на проницаемой поверхности

• Результаты исследования влияния интенсивности вдува на

закономерности тепломассообмена и трения, а также границы ламиниризации и турбулизации течения за счет тепловыделения в пограничном слое и воздействия вдува.

• Комплексные данные по влиянию продольного отрицательного

градиента давления на деформацию профиля скорости с образованием максимума в пристенной области и интенсификацию трения и теплообмена.

• Результаты численного анализа влияния сил плавучести на структуру

течения и теплообмен в реагирующих и нереагирующих пристенных потоках

• Данные о структуре течения, тепло- и массообмене в отрывном

реагирующем потоке у пористой пластины.

Достоверность и обоснованность результатов основывается на тщательном тестировании математических моделей и их численной реализации путем сопоставления с точными решениями уравнений пограничного слоя, экспериментальными данными, полученными как в ИТ СО РАН, так и многими другими авторами, и рядом общепринятых методов верификации результатов численного моделирования.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены лично автором. Автором разработан и верифицирован комплекс программного обеспечения для проведения численного моделирования, проделаны сопоставления с данными опытных и теоретических исследований, получены и проанализированы результаты моделирования ламинарных и турбулентных пристенных течений со вдувом, испарением и горением.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных симпозиумах и конференциях:

3, 4 и 5-я Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, Россия, 2002, 2006, 2010); 6th, 7th Int. Symposium on Heat Transfer (ISHT"08) (Beijing, China, 2004, 2008); 15,h Int. Conference Methods of Aerophysical Research (ICMAR) (Novosibirsk, Russia, 2010); 29-й Сибирский теплофизический семинар (Новосибирск, 2010); V, VI, 14-й Минский международный форум по тепло- и массообмену (Минск, Беларусь, 2004, 2008, 2012), 4th Int. Conference on Comp. Heat and Mass Transfer (Paris-Cachan, France, 2005), 8lh Int. Conf. on Multiphase Flow ICMF (Jeju, Korea, 2013), 14,h International Heat Transfer Conference, IHTC14, (Washington, DC, USA, 2010), 7th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and

Thermodynamics, (Antalya, Turkey, 2010), Advances in Computation Heat Transfer (Marrakesh, Morocco, 2008), 6th International Seminar on Flame Structure (6th ISFS, Brussels, Belgium, 2008) и ряде других.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 46 работ, в том числе 16 - в ведущих отечественных и зарубежных журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций. В данных публикациях в полной мере отражены основные научные результаты работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из шести глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 270 стр., 100 рис., 6 таблиц.

Содержание работы

В первой главе представлено современное состояние теоретических и экспериментальных исследований пристенных течений со вдувом химически реагирующих веществ. Последовательно рассмотрены основные факторы, сопровождающие сложный процесс горения - неоднородность состава, поперечный поток вещества, испарение, химическая кинетика, турбулентность и др.

Анализ литературы показал, что наиболее полно исследованным являются нереагирующие течения на непроницаемых поверхностях и течения с однородным вдувом газа (Кутателадзе, Леонтьев, 1972; Ерошенко, Зайчик, 1989); вдув инородного газа приводит к неподобию процессов тепломассообмена, влияние которого окончательно не изучено. Аналогичная картина наблюдается и при испарении (конденсации) жидкости. Существующие теории (Лыков, 1961; Сергеев, 1977; Katto и др., 1975) не дают исчерпывающего объяснения причин более интенсивного теплообмена по сравнению с массообменом.

Пограничные слои с горением изучались в большом числе теоретических и экспериментальных работ (Сполдинг, 1966; Kikkawa и др., 1986; Бояршинов, Волчков, Терехов, 1981 - 2002; Ueda и др., 1982 и др.). Показано, что фронт тепловыделения оказывает сильное влияние на динамические и тепловые характеристики пограничных слоев и может приводить к ламинаризации течения. Однако все имеющиеся работы проведены в узком диапазоне параметров вдува, что затрудняет создание единой картины тепломассообменных процессов при горении с различными интенсивностями вдува горючего.

Значительный интерес вызывает исследование влияния на горение продольного градиента давления (ускорения потока). При отсутствии горения, ускорение потока вызывает снижение трения и теплообмена, а при критических условиях приводит к ламинаризации течения (Бэк и др., 1969; Кейс и др., 1970). При горении, как это показано в единичных экспериментальных работах (Джонс и др., 1971; Хирано и др.,1973; Волчков и др., 1996), ускорение потока ведет к сильной деформации профиля продольной скорости с образованием локального пристеночного максимума (своеобразного «прострела») и интенсификации тепло- и массоотдачи.

Таким образом, можно отметить, что в литературе недостаточно полно отражены проблемы, связанные с определением границ подобия тепло- и массообмена при инородном вдуве, а также наличии фазовых превращений и горения при различных интенсивностях вдува. Остаются также открытыми вопросы о механизме процессов переноса в ускоренных потоках с горением, при наличии отрыва и сил плавучести. В заключение анализа литературных данных формулируются задачи исследования.

Во второй главе описывается математическая модель турбулентного течения с фазовыми и химическими превращениями. Она основана на двумерных осредненных уравнениях Навье-Стокса, энергии и диффузии (в приближении существенно дозвукового течения).

Уравнение неразрывности :

др |

д! ЙТ;

Уравнения движения :

ди, 81/• др 8 т„ р—- + ри1—- =—— + —-81 8x1 дх, дх■

Уравнения сохранения массы п-го компонента : дк„ 8кп . дJn

р —- + ри: —- = -Н'„---

д! дх, дх,

Уравнение энергии:

8Н 8Н д

р--1- ри1-= —

о! дх, дх.

(1)

(2)

(3)

(4)

где Ту - тензор касательных напряжений, (Ц, - скорость образования п-го компонента смеси, 3 п - его диффузионный поток, к„ - массовая концентрация, Н- энтальпия, Т - температура, и - - компоненты вектора скорости, р - давление, р - плотность, Лэфф- эффективный коэффициент теплопроводности.

Система уравнений (1)-(4) дополнялась уравнением состояния идеального газа:

Р = (5)

в котором через IVп обозначен молекулярный вес и-го компонента смеси, а Я - универсальная газовая постоянная.

Замыкание системы уравнений (1)-(5) относительно входящих в нее турбулентных напряжений (тепловых и диффузионных потоков) осуществлялось при помощи ряда моделей турбулентности: низкорейнольдсовых модификаций к-е, к-со и у2-Г.

Следует отметить, что диффузионные потоки определялись как с помощью подхода Фика, так и по модели Стефана-Максвелла с учетом эффекта термодиффузии. Использование последнего подхода к определению потоков при многокомпонентной диффузии особенно важно при моделировании ламинарных водородных пламен. Эффект Дюфо считался пренебрежимо малым, его величина при вдуве водорода или гелия, как показали результаты моделирования, составляет лишь несколько градусов.

Теплоперенос излучением в настоящей работе рассматривался в приближении теплопотерь от стенки. Такое приближение справедливо для подавляющего большинства результатов, полученных в условиях горения водорода при относительно невысоком уровне температур.

Весьма важную роль при моделировании играет определение теплофизических свойств газовой смеси. Для отдельных компонент автором была создана база данных по этим свойствам, тогда как свойства смеси определялись согласно подходам, которые широко используются для этих целей. Так, например, вязкость смеси определялась по методу Вилке, а теплопроводность по методу Мейсона.

Химическая кинетика моделировалась согласно нескольким подходам: диффузионной модели, в которой время химического реагирования предполагалось бесконечно малым по сравнению с характерными конвективными и диффузионными временами, упрощенным схемам с одной-двумя "глобальными" реакциями, а также при помощи детальных кинетических схем, таких как GRI-MECH.

Воздействие турбулентных пульсаций на скорость химических реакций определялось на основании модели срыва вихря (ЕВМ, Spalding, 1971) и концепции диссипации вихря (EDC, Magnussen, 1981,2005).

Численная реализация математической модели базировалась на методе контрольного объема на структурированной совмещенной сетке. Конвективные члены аппроксимировались по противопоточной схеме второго порядка точности, диффузионные по центральной схеме. Связь скорости и давления определялась согласно алгоритму SIMPLEC, а получающиеся системы алгебраических уравнений решались при помощи сильно-неявной процедуры.

В заключении второй главы представлены результаты тестовых расчетов, методика выбора оптимальной вычислительной сетки и приведены сопоставления с экспериментальными данными для некоторых классических задач, таких как течение в турбулентном пограничном слое со вдувом, градиентом давления, турбулентное обтекание обратного уступа и выступа на плоскости.

В третьей главе представлены результаты моделирования тепломассопереноса на проницаемой поверхности при инородном вдуве и при наличии фазового перехода в нереагирующих потоках.

На рис. 1. представлена схема рассматриваемого течения.

К,

Рис. 1. Схема течения в пограничном слое при наличии фазовых переходов (конденсации) на стенке.

Плоская пористая пластина обтекается потоком, в общем случае парогазовым, с заданными скоростью, температурой и паросодержанием. На стенке задаются условия прилипания, температура (тогда тепловой поток на стенке определяется из баланса энергии) и концентрация (аналогично, массовый поток определяется из баланса массы). Отметим, что такая постановка предполагает отсутствие пленки конденсата (испаряемой жидкости). Несмотря на то, что реализовать такой процесс на практике достаточно сложно, представленная модель позволяет анализировать процессы тепломассопереноса в газовой фазе отдельно от жидкой, проводить аналогии с процессами вдува и отсоса и она вполне справедлива в том случае, когда термическое и диффузионное сопротивление пленки существенно меньше, чем пограничного слоя.

В разделе 3.1 обсуждаются результаты моделирования пограничного слоя с инородным вдувом. При анализе процессов тепломассообмена часто применяется допущение о равенстве числа Льюиса единице Ье = 1. При этом предполагается, что соотношения между коэффициентами тепло- и массообмена будут выполняться в форме аналогии Рейнольдса. В настоящей работе показано, что при вдуве инородного газа в пограничный слой подобие между тепло- и массообменом определяется не только числом Льюиса, но и соотношением температур вдуваемого газа и основного потока, а также параметром вдува. Получены соотношения между коэффициентами тепло- и массообмена в форме чисел Стентона, учитывающие поправки на вышеуказанные эффекты.

В разделе 3.2 представлены результаты моделирования конденсации водяного пара. Основные расчеты тепломассообмена проводились при вариации параметров парогазовой смеси в ядре потока (Т° = 40 + 60°С, к]0 = 0 -ь 0.2) и температуры стенки =10 + 40° С) при атмосферном давлении. Этим условиям отвечают и большинство экспериментальных исследований. Кроме того, для установления границ существования подобия процессов тепломассообмена проводились расчеты и для более высоких температур (Т0 < 100"С) и концентраций пара (кИ1 < 1) в ядре потока, когда паровоздушная смесь приближалась к предельному состоянию течения чистого насыщенного

пара. Температура и влагосодержание в потоке и на стенке оставались постоянными по длине. Число Рейнольдса при ламинарном режиме течения изменялось в диапазоне Rex = 103 -ь 5-104, а при турбулентном - 5-104 -н I06.

Су/2

stT •Рг" st„ ■ Sc" ■ io2

2,0

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

4 6 8 10*

4 6 8 10:

Рис. 2. Тепломассообмен и трение при ламинарном и турбулентном режимах течения влажного воздуха. Т0 = 40° С, Т„. = 20° С. Линии: 1 - трение, тепло- и массообмен в сухом воздухе; 2 - то же самое для влажного воздуха к10 = 0.0465; заштрихованная область - промежуточные значения влагосодержания; 3 -суммарный теплообмен на стенке при различных концентрациях пара.

Результаты численного расчета трения и тепломассообмена в пограничном слое при ламинарном и турбулентном режимах течения влажного воздуха с различным влагосодержанием в ядре потока представлены на рис. 2. Сплошными линиями 1 и 2 ограничена область конвективного теплообмена , массобмена и трения на стенке. Линии 1 на этом графике соответствуют расчетам для сухого воздуха и они совпадают с известными закономерностями для ламинарного и турбулентного течения. Заштрихованная область представляет собой результаты расчета трения и конвективного тепломассообмена при различных влагосодержаниях потока, причем ограничивающие сверху линии 2 получены для насыщенного состояния парогазовой смеси. Как видно, влияние концентрации пара на коэффициенты трения и тепломассообмена невелико и для рассматриваемых условий оно не превышает 10%. Это увеличение коэффициентов переноса обусловлено влиянием отсоса пограничного слоя за счет конденсации, однако из-за малости величины поперечного потока вещества его влиянием при течении влажного воздуха при умеренных параметрах можно пренебречь.

Линиями 3 на рис. 4 для различных концентраций пара нанесены расчетные данные по суммарному теплопереносу на стенке с учетом теплоты, затрачиваемой на фазовый переход. Видно, что наличие конденсации на поверхности приводит к существенной интенсификации теплопередачи. Так, при концентрации пара в ядре кю ж 5%, теплообмен на

поверхности возрастает более чем в 5 раз по сравнению с течением сухого воздуха. При этом расчетные линии для различных концентраций пара располагаются эквидистантно между собой, что свидетельствует об отсутствии заметного влияния числа Рейнольдса потока на степень интенсификации теплообмена за счет фазовых переходов, как в ламинарном, так и турбулентном пограничных слоях.

На рис. 3 демонстрируется изменение коэффициентов аналогии Рейнольдса между теплообменом, массообменом и трением, с учетом стандартных поправок на числа Прандтля и Льюиса. Расчеты проводились при постоянной температуре стенки Т,л = 20°С и различных температурах и концентрациях пара в невозмущенном потоке вплоть до предельного значения к)0—»1, соответствующего чистому пару при температуре Т0 = 100"С. Таким образом анализировалась максимально возможная область изменения концентрации пара во влажном воздухе с целью выявления границ применимости аналогии Рейнольдса.

Рис. 3. Изменение коэффициентов аналогии Рейнольдса в зависимости от концентрации пара в воздухе Т„ = 20 "С, Т„ = 100 °С.

Как видно из рис. 3 фактор неподобия возрастает с увеличением концентрации пара. Это объясняется тем, что с ростом концентрации пара в смеси возрастают и значения чисел Прандтля и Льюиса. При этом степень неподобия между теплообменом и массообменом существенно выше, чем между массообменом и трением. Такой характер поведения относительных коэффициентов переноса обусловлен прежде всего влиянием диффузионной составляющей переноса теплоты, величина которой, как это следует из уравнения энергии, возрастает с увеличением числа Ье.

В разделе 3.3 анализируются полученные данные о тепло- и массообмене при испарении в ламинарный и турбулентный пограничный слой. Испарение жидкости в конвективный газовый поток кроме самостоятельного интереса имеет важное значение как составная часть более сложного процесса горения жидких топлив. Интенсивность испарения лимитирует величину поперечного потока паров горючего и во многом определяет структуру реагирующего пограничного слоя и, сооответственно, трение и тепломассообмен.

Основное внимание в настоящем исследование уделялось случаю адиабатического испарения жидкости (вода, этанол). В ядре течения воздух мог быть как сухим, так и влажным. При этом изменяется концентрационный напор между ядром потока и стенкой, а также значение числа Льюиса. В расчетах также варьировалась величина температуры ядра потока.

Показано, что аналогично рассмотренной в предыдущем разделе конденсации пара, испарение может быть описано законами "сухой" стенки в случае когда поперечный поток вещества достаточно мал, а подобие процессов тепло- и массообмена наблюдается лишь в достаточно узком диапазоне параметров вдува. Проведено сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными (Бояршинов и др., 1983) по адиабатическому испарению (рис. 4).

2x10 и

ю4 ю5 Ре

Рис. 4. Испарение этанола, в турбулентный поток воздуха. Линия 1 -численное моделирование, 2 - закон «сухой» стенки, 3 - численное моделирование при неадиабатическом испарении. Точки - эксперимент (Бояршинов и др., 1983).

Опытные данные работы лежат существенно выше расчетных зависимостей, что говорит о более интенсивных процессах переноса, чем предсказывается теорией. Одной из наиболее вероятных причин отличия теории и эксперимента может быть отсутствие адиабатичности в опытах.

Степень неаднабатичности испарения можно определить по разнице между измеренной температурой стенки и температурой адиабатического испарения:

Ч* ^ Тр-Т' кп.-к0

<7* то~т«к'-к0

Результаты численного моделирования с учетом неаднабатичности, поправка на которую определялась согласно (6), приведены на рис. 4 линией 3. Несмотря на достаточно сильный разброс опытных данных они лучше коррелируют с зависимостью для неадиабатического испарения, чем для адиабатического.

Раздел 3.4 посвящен особенностям испарения капель жидкости. В нем, с использованием результатов полученных в предыдущих разделах, представлена математическая модель испарения капли жидкости и результаты численного моделирования как отдельных капель, так и монодисперсных групп капель.

Модель основана на одномерном сферически симметричном приближении. В газовой фазе перенос вещества и энергии моделируется в рамках интегрального подхода с использованием пленочной теории и подобия процессов тепломассобмена в форме, предложенной в работе (Abramzon, Sirignano, 1989).

Нестационарные уравнения теплопереноса и диффузии внутри капли бинарного состава совместно с граничными условиями на поверхности капли (включавших в себя условия фазового равновесия и теплового баланса) решались совместно неявным методом с итерациями на каждом шаге по времени, которые были необходимы для обеспечения сходимости целого ряда нелинейных членов, входивших в уравнения и граничные условия.

Эффекты циркуляции внутри капли вызываемой, например, силами плавучести и межфазного трения моделировались путем задания эффективного коэффициента теплопроводности. Для уравнений переноса энергии и вещества внутри капли на внешней ее границе задавались граничные условия третьего рода, в которых коэффициент теплоотдачи определялся исходя из законов тепломассообмена сферы и поправок к ним, позволяющих учесть влияние стефановского потока вещества и фактор неподобия процессов тепло- и массообмена.

На рис. 5 представлено сопоставление результатов моделирования по вышеописанной методике с экспериментальными данными по испарению капель различных жидкостей в воздушном потоке. Можно видеть вполне удовлетворительное соответствие результатов моделирования экспериментальным данным.

Рис. 5. Изменение массового потока с поверхности капли (а) и ее диаметра в зависимости от времени. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных по изменению диаметра капель различных жидкостей по времени. Точки -эксперимент (Шишкин и др., 2010), линии - расчет. 1- вода, Т0 = 78С, и0 = 5.1м/с; 2 -вода, 80.5, 5.14; 3 - этанол, 71.5, 5.1; 4 - метанол, 70.2, 4.3; 5 - ацетон - 78, 5.1.

Результаты моделирования горения водородо-азотных смесей вдуваемых в пограничный слой представлены главе 4. Во введении к этой главе описаны основные особенности пограничного слоя со вдувом топлива через пористую поверхность и его горением. Представлен анализ сопоставления результатов численного моделирования с использованием подхода, изложенного во второй главе, с экспериментальными данными ряда авторов.

Первый раздел главы посвящен исследованию условий, при которых возможно стабильное горение в пограничном слое. В качестве топлива была выбрана смесь водорода с азотом в различных пропорциях, которая вдувалась через пористую пластину в пограничный слой, образованный потоком воздуха. Показано, что параметрами, определяющими пограничный слой с горением, являются скорость набегающего потока, интенсивность вдува и содержание водорода в топливной смеси. Однако, с точки зрения воспламенения и погасания пламени, как показывают и экспериментальные данные (Волчков и др., 2012) и результаты моделирования, скорость набегающего потока и интенсивность вдува не являются независимыми параметрами. Определяющим является их отношение (массовый поток от стенки отнесенный к массовому потоку окислителя). Таким образом, карта режимных условий погасания и воспламенения представляется в координатах массовая доля водорода в топливной смеси - безразмерная интенсивность вдува (рис. 6).

J П'

Ю"3:

КГ2:

О,С

Н2

воспламенение

о -Н+Не

» - Н2+М2

Рис. 6. Зависимость безразмерной интенсивности вдува, при которой происходит погасание (светлые точки) или воспламенение (темные точки) от содержания водорода в топливной смеси. Линией нанесен расчет по формуле (7). Звездочками обозначены режимы а-г на рис. 7. Точки - эксперимент (Волчков, 2012).

Проведенное моделирование в условиях указанных экспериментов (рис. 6) раскрывает механизм погасания пламени. По мере увеличения скорости набегающего потока (или уменьшения интенсивности вдува) фронт горения приближается к стенке, температура в нем падает, и при достижении фронтом пламени стенки происходит его постепенное погасание с продвижением области горения вниз по потоку. Об этом наглядно свидетельствует серия компьютерных визуализаций полей температур в пограничном слое, представленных на рис. 7.

Полученные данные позволили предложить достаточно простую модель для оценки условий погасания пламени в пограничном слое. Эта модель основывается на следующих предположениях:

1. Справедливо предположение о подобии безразмерных концентраций элементов и энтальпии.

2. Погасание пламени происходит при условии достижения фронтом горения стенки.

3. Обосновано использование диффузионной модели Шваба-Зельдовича.

Используя эти предположения можно получить выражение для

относительного массового потока топливной смеси, при которой происходит погасание:

Здесь кн и к0 - обобщенные массовые доли водорода и кислорода, 'И -относительная функция теплообмена, индекс 0 соответствует условиям набегающего потока, а штрих - вдуваемому газу. В условиях, когда фронт пламени располагается на стенке член (&«),,,/(£„ легко определяется из стехиометрии.

(7)

Рис. 7. Распределения температуры в пограничном слое при погасании пламени. Условия а-г соответствуют точкам на рис. 6.

Отметим наиболее важные выводы, следующие из формулы (7). Во-первых, наблюдается обратно пропорциональная зависимость 7* от концентрации водорода во вдуваемом топливе, что подтверждается и экспериментом и данными численного моделирования.

Во-вторых, в предположении постоянства относительной функции теплообмена Ч* по продольной координате х можно получить зависимость точки начала зоны горения х' от скорости набегающего потока и0. В соответствии с результатами численного моделирования в ламинарном режиме течения эта зависимость линейна х* ~ и0, а в турбулентном режиме течения х* ~ и„. Последняя зависимость была получена ранее исходя из других предположений в работе (Ярин, 1983).

Кроме того, следует отметить наблюдающееся на рис. 6 отклонение экспериментальных данных от линейной зависимости. Оно связано с

приближением к нижнему пределу воспламенения предварительно перемешанной смеси. Действительно, при столь низких концентрациях водорода в топливной смеси диффузионное горение уже невозможно при сколь угодно больших расходах.

В разделе 4.2 проведен анализ трения и тепломассобмена при горении водорода при его вдуве в турбулентный пограничный слой. Моделирование было проведено в широком диапазоне интенсивностей вдува и, с целью выявления роли горения, аналогичная серия расчетов была проведена в тех же условиях, но в нереагирующем потоке.

На рис. 8 представлена зависимость относительного сопротивления трения от безразмерного массового потока водорода на стенке.

1.0-

0,8-

0,6-

еГ о,4-

0,2-

0,0-

О о

0,0 1,0x10"" 2,0x104 3,0x104

1/Роио

4,0x10

Рис. 8. Зависимость относительной функции трения от интенсивности вдува. Темные точки - вдув без горения, светлые - с горением. Яег = 107.

Из этого рисунка можно сделать вывод о том, что вдув водорода в пограничный слой приводит к снижению сопротивления трения, однако вдув сопровождаемый горением существенным образом усиливает эффект снижения сопротивления, особенно в области невысоких интенсивностей вдува.

Такая закономерность в поведении пограничного слоя со вдувом и горением объясняется рядом следующих факторов. В первую очередь, горение приводит к снижению плотности газовой смеси. Наиболее сильно это снижение проявляется в области небольших расходов топлива, когда фронт пламени располагается достаточно близко к стенке. Увеличение

интенсивности вдува приводит к тому, что фронт пламени удаляется от стенки и оказывает все более слабое влияние на пристенные процессы, в конечном итоге сближая результаты для реагирующего и нереагирующего потоков. Другим фактором служит ламиниризация течения, вызванная наличием сильного тепловыделения. И на это явление положение фронта пламени оказывает столь же существенное влияние. При небольших интенсивностях вдува горение оказывает значительную перестройку течения, тогда как при увеличении расхода вдуваемого топлива характеристики реагирующего и нереагирующего потоков сближаются (рис. 9).

50-1 4540- | 35- I 30252015- . • "

50-]--.«I г...... "■ , ................... ..................

10' 10° 10' 10" ^ 103 10*

О)

Рис. 9. Профили скорости в пограничном слое со вдувом и горением при различных интенсивностях вдува. Темные точки - только вдув, светлые - вдув и горение, а) низкая интенсивность вдува (к„=0.02), б) высокая интенсивность вдува (к%1,=0.8). Яег = 107. Стрелками обозначено положение фронта пламени.

Раздел 4.3 посвящен анализу тепловых потоков на стенке при горении топлива вдуваемого в пограничный слой. Известно (Волчков, 2006), что при неизотермическом вдуве в нереагирующий пограничный слой в зависимости от величины массового потока инжектанта может наблюдаться максимум теплового потока в стенку. В настоящей работе проведено детальное исследование зависимости теплового потока при вдуве и горении. Показано, что и при горении средний тепловой поток в стенку имеет максимум (рис. 10а). Кроме того, при постоянном расходе топлива по длине пластины наблюдается максимум локального теплового потока (рис. 106).

Наличие экстремума в вышеуказанных распределениях теплового потока можно быть объяснено следующим образом. При отсутствии вдува отсутствует и горение, и тепловой поток минимален. При значительных интенсивностях вдува фронт пламени удаляется от стенки, при этом происходит снижение теплового потока вплоть до нулевого значения, соответствующего оттеснению пограничного слоя (критический вдув). Очевидно, что между нулевым и критическим вдувом должна существовать область с максимальным тепловым потом в стенку.

б)

U=4/s, Y1H =10%

0 20 40

100 120

а) б)

Рис. 10. Зависимость среднего теплового потока на пористой поверхности от интенсивности вдува а), распределение локального теплового потока по длине пластины б). Точки - эксперимент (Волчков и др., 2012), линии - моделирование, пунктир - аналитическая оценка положения максимума,.

Пятая глава посвящена исследованию влияния основных осложняющих факторов на процессы тепломассообмена в пристенном потоке.

В разделе 5.1 представлены результаты исследования влияния динамической предыстории течения на теплообмен и трение при горении. Аналогично предыдущему разделу, решение поставленной задачи для нереагирующего пограничного слоя со вдувом хорошо известно (Kays, 1969). В настоящей работе проведено моделирование горения в пограничном слое со вдувом за непроницаемым и теплоизолированным предвключенным участком в широком диапазоне длин этого участка. Детально изучено влияние толщины динамического пограничного слоя на характер течения, проведено сопоставление с экспериментальными данными как в ламинарном (Волчков и др., 2010), гак и турбулентном режимах течения (Ueda, 1983). В целом, показано, что динамическая предыстория оказывает меньшее влияние на теплообмен и трение в пограничном слое с горением, чем в нереагирующем течении. При этом и в том, и в другом случаях влияние динамической предыстории на теплообмен существенно слабее, чем на трение (рис. 11).

В разделе 5.2 обсуждаются результаты по влиянию ускорения потока процессы горения в турбулентном пограничном слое и его ламинаризации. В потоках без горения это явление хорошо изучено (Back, Kays, Leont'ev). В тоже время, как это было указано в разделе 4.2, горение также приводит к некоторому подавлению турбулентных пульсаций. Ожидаемый «двойной эффект» при совместном воздействии на пограничный слой турбулентности и горения не только не проявляется, но более того в работе (Бояршинов, 1997) экспериментально обнаружен существенный рост тепло- и массообмена при горении испаряющегося топлива в ускоренном турбулентном пограничном слое.

-Р

0,0

0,5

1.0

1,5

2,0

их

Рис. 11. Влияние длины предвключенного участка на трение (пунктир) и теплообмен (сплошные линии) при вдуве (черные линии) и горении метана (красные линии). Ь = 0+80 мм.

В настоящей работе проведено моделирование вдува и горения в турбулентном ускоренном потоке. Анализ результатов показал, что под воздействием ускорения происходит качественная перестройка течения.

Наличие зоны с высокой температурой и, соответственно, низкой плотностью внутри пограничного слоя приводит к сильной деформации профиля скорости, поскольку наличие градиента давления приводит к тому, что скорость в зоне низкой плотности существенно повышается. Деформация профиля скорости, вызванная наличием ускорения, может оказаться настолько сильной, что максимум скорости в пограничном слое располагается не на внешней границе, а внутри пограничного слоя (во фронте пламени), т.е. течение приобретает характер пристенной струи (рис.

Основной механизм увеличения скорости обусловлен снижением плотности газовой смеси во фронте горения. Если воспользоваться подходом, основанном на постоянстве давления по толщине пограничного слоя и

приближенные соотношения для скорости во фронте пламени при наличии ускорения потока

12а).

условиях во фронте

можно получить

Х5

где и{, и в, - скорость на внешней границе пограничного слоя в начальном и текущем сечениях соответственно, К = ~ параметр ускорения,

и.х п „

Яек = - число Реинольдса, рассчитанное по скорости на входе и, и

продольной координате.

а)

б)

Рис. 12. Профили скорости (а) и кинетической энергии турбулентных пульсаций (б) в пограничном слое с горением водорода и ускорением. Параметр ускорения К.=2-10'\

Скорость во фронте пламени с учетом уравнения состояния идеального газа принимает вид:

Результаты расчетов по этим формулам и показаны на рис 13. Точками представлены результаты численного моделирования для различных ускорений потока. Как видно, результаты моделирования в целом коррелируют с расчетной формулой.

НСЯе

Рис. 13. Изменение скорости во фронте пламени (линия 1) и в ядре потока (линия 2), определенные по формулам (8) и (9) соответственно. Точки - численное моделирование при различных параметрах ускорения.

Другой важной особенностью ускоренного пограничного слоя с фронтом тепловыделения является повышенный уровень турбулентных пульсаций внутри слоя. Он может быть объяснен в рамках градиентных моделей турбулентности, упомянутым выше, резким увеличением градиентов средних величин в окрестности фронта пламени. Пульсационные характеристики при определенных режимах могут существенно превышать соответствующие параметры как ускоренного нереагирующего течения, так и реагирующего безградиентного течения (рис. 126). Эти особенности пограничного слоя с горением и ускорением наблюдались и в экспериментальных работах (11ес1а й а1., 1983, Бояршинов и др., 1994) как это видно из рис. 14.

Раздел 5.3 посвящен отрывным течениям со вдувом и горением. Особое внимание было уделено стабилизации пламени за преградой в виде ребра, установленного перпендикулярно пластине. Получены данные о средних и пульсационных характеристиках течения за ребром-стабилизатором пламени

в ламинарном и турбулентном течении со вдувом и горением. Установлено, что аналогично нереагирующим отрывным потокам, в случае с горением образуется зона возвратных токов за препятствием, которая обеспечивает лучшее смешение реагентов в начале области горения, что особенно важно с точки зрения стабилизации пламени. В образующемся слое смешения наблюдается повышенный уровень турбулентности, что также является стабилизирующим горение фактором. Об этом также можно судить на основании того, что именно в этом слое смешения и располагается фронт пламени.

0,2 0,4 0.6 ^ 0.8 1,0

а)

(и*)" ггЛ ,я б)

Рис. 14. Профили средней скорости и кинетической энергии турбулентности в пограничном слое со вдувом и горением водорода в канале. Линии - результаты моделирования настоящей работы, точки - экспериментальные данные (иеёа, 1983).

На рис. 15 представлены результаты численного моделирования: распределения скоростей, концентраций и температур в окрестности пористой пластины (вдувается водородо-азотная смесь), перед которой установлено ребро. Для сравнения на этом же рисунке представлены результаты моделирования горения в течении без стабилизатора пламени.

Можно видеть, что установка стабилизатора пламени приводит к появлению отрывной рециркуляционной зоны за ним (рис. 15а). Последняя, очевидно, улучшает смешение реагентов в окрестности передней кромки, что особенно ярко проявляется на распределении концентрации реагентов (рис. 156) и температуры (рис. 15в). При горении без стабилизатора, как уже отмечалось выше, горение проходит не от начала области вдува, а на некотором расстоянии от него, необходимом для развития пограничного слоя и достижения концентрации топлива достаточной для воспламенения (нижний предел воспламенения предварительно перемешанной смеси). В случае же стабилизации горения фронт пламени начинается от верхней кромки ребра, что говорит о достаточно высокой степени смешения реагентов уже в самом начале пластины.

б)

в)

Рис. 15. Распределение скорости (а), концентрации водорода (б) и температуры (в) в реагирующем течении на пористой поверхности при вдуве через водородно-азотной смеси (6% водорода по массе) и горении. Верхние рисунки соответствуют _:;:::: без стабилизатора пламени, нижние - с ребром. Высота ребра Н = Змм, интенсивность вдува } = 2.5-10"3, скорость набегающего потока 10 м/с.

В шестой главе представлены результаты детального исследования смешанно-конвективных нереагирующих и реагирующих потоков.

Зачастую влияние сил плавучести оказывает существенное влияние и при наличии внешнего вынужденно-конвективного течения, при этом направление действия этих сил может составлять произвольный угол с направлением потока. Кроме того, изучение свободно- и смешанно-конвективного режимов течения представляет значительный интерес с точки зрения практических приложений - теплоизоляции ограждающих конструкций зданий, охлаждения элементов микроэлектронники и многих других.

В разделе 6.1 настоящей работы рассмотрены некоторые задачи о теплообмене в пристенных нереагирующих смешанно-конвективных течениях. В первой из них изучается влияние подогрева нижней стенки на теплообмен в дифференциально обогреваемой вертикальной прослойке. Проведено моделирование в широком диапазоне параметров: числа Рэлея, интенсивности теплоподвода к нижней стенке, относительной высоты прослойки. Показано, что теплоподвод к полости снизу существенным образом влияет как на структуру течения, так и на теплообмен. С ростом величины подводимого тепла на холодной стенке наблюдается увеличение коэффициента теплоотдачи, тогда как на горячей его снижение, причем на последней при определенных режимах может наблюдаться инверсия теплового потока. Интегральный тепловой поток через боковые стенки остается практически постоянным при сохранении произведения подводимого теплового потока на относительную высоту прослойки, а результаты моделирования обобщаются при использовании модифицированного числа Рэлея (числа Рэлея, отнесенного к безразмерной высоте полости) как в случае теплоподвода, так и в его отсутствие.

Численно исследована структура течения и теплообмен при смешанной конвекции в вертикальном слое с дискретным тепловыделением. Изучено влияние чисел Рейнольдса и Релея, а также формы тепловыделяющих элементов. Проведенное численное моделирование показало сильную неоднородность локальных коэффициентов теплоотдачи по поверхности прямоугольных тепловыделяющих дискретных элементов, расположенных на боковой поверхности вертикального канала. Значительно изменяется и интегральная теплоотдача от отдельного элемента в зависимости от его положения. Суммарный теплообмен от всей системы элементов слабо зависит от числа Грасгофа, демонстрируя подавляющий вклад вынужденной конвекции в рассматриваемых условиях.

В отличие от нереагирующих течений при горении термогравитационная конвекция может вносить кардинальные изменения в закономерности течения и теплообмена. Раздел 6.2 посвящен анализу влияния сил плавучести при горении в пристенном течении со вдувом топлива. В первой части раздела обсуждаются случаи, когда направление действия сил плавучести совпадает с вынужденно-конвективным течением и

направлено навстречу ему. Показано, что в первом режиме воздействие сил плавучести приводит к тому, что имеющий низкую плотность газ во фронте пламени приобретает скорость большую, чем холодный газ основного потока и течение имеет характер пристенной струи (рис. 166). В противоположном режиме (рис. 16в) наблюдается резкое утолщение пограничного слоя, вплоть до его оттеснения от стенки, положение фронта горения в этом случае гораздо дальше от стенки, чем в предыдущем.

а)

б)

в)

Рис. 16. Распределение температуры в пограничном слое со вдувом и горением метана под воздействием силы тяжести, а) горение в отсутствии силы тяжести, б) скорость потока направлена снизу вверх (действие силы плавучести сонаправлено конвективному потоку), в) поток направлен сверху вниз (действие силы плавучести противонаправлено конвективному потоку). Скорость набегающего потока 10м/с, интенсивность вдува .1=10" .

Исследовано горение в канале с пористыми верхней и нижней стенками (сила тяжести ортогональна направлению течения) в ламинарном режиме течения в диапазоне чисел Фруда, соответствующих режиму смешанной

конвекции. Отметим, что на верхнем пределе этого диапазона картина течения и теплопереноса симметрична относительно оси канала. Однако по мере уменьшения числа Фруда происходит оттеснение фронта пламени и пограничного слоя в целом от нижней стенки, тогда как в верхней части канала фронт пламени приближается к стенке. Нижний диапазон исследованных параметров соответствует погасанию пламени на верхней стенке, тогда как на нижней возникает конвективная неустойчивость и течение теряет характер пограничного слоя с фронтом пламени.

Заключение

По изложенным в диссертации результатам можно сделать следующие выводы:

Разработана математическая модель и комплекс программного обеспечения для численного моделирования ламинарных и турбулентных течений при наличии вдува, фазовых превращений и горения. Проанализированы различные модели турбулентности и, а также методы их численной реализации, установлены границы их применимости для изучаемых задач.

Показано, что при вдуве инородного газа, испарении и конденсации в пограничном слое подобие между тепло- и массообменом определяется не только числом Льюиса, но и соотношением температур вдуваемого газа и основного потока, а также параметром вдува. В частности, при конденсации воды из влажного воздуха установлено, что подобие тепломассообмена имеет место до концентраций пара в ядре не превышающих 0.2, а законы трения и теплообмена описываются соотношениями для «сухой» стенки.

Установлен механизм погасания пламени в пограничном слое. Получены данные численного моделирования подтверждающие эксперимент, разработана аналитическая модель описывающая «срыв пламени» при увеличении скорости набегающего потока.

Проанализирован вклад в тепломассоперенос всего спектра возмущающих факторов при горении в пограничном слое при вариации параметра вдува (ламиниризация течения, неоднородность состава, проницаемость стенки, и др.). Показано, что горение в пограничном слое приводит к сильному (в 3-5 раз) снижению трения по сравнением со случаем без горения.

Показано, что отрицательный продольный градиент давления приводит к сильной деформации профиля скорости в пограничном слое с горением, а также в отличие от нереагирующих потоков к интенсификации тепло- и массообмена.

Исследовано влияние ребра-стабилизатора пламени на характеристики турбулентного течения с горением. Выявлены факторы обеспечивающие стабилизацию горения.

Исследованы структура течения и характеристики теплообмена в смешанно-конвективных течениях в вертикальных прослойках. Определены

зависимости коэффициентов теплоотдачи и оценены возможности управления течением и теплообменом в такого рода конфигурациях.

Проведено моделирование горения в поле силы тяжести. Установлены диапазоны существенного влияния сил плавучести. Проанализирован вклад этих сил в распределения средних и пульсационных характеристик реагирующего пристенного потока.

Основные публикации по материалам работы

1. Волчков Э.П., Терехов В.В., Терехов В.И. Тепломассообмен в пограничном слое при вынужденном течении влажного воздуха с конденсацией пара на поверхности // Теплофизика и аэромеханика, 2000, т. 7, № 2, С. 257-266. (из перечня ВАК)

2. Волчков Э.П., Терехов В.В., Терехов В.И. Структура пограничного слоя с горением водорода при различных интенсивностях вдува // Физика горения и взрыва, 2002, т.45, N3, С. 20-29. (из перечня ВАК)

3. Волчков Э.П., Терехов В.В., Терехов В.И. Структура течения тепло - и массоперенос в пограничных слоях со вдувом химически реагирующих веществ (обзор) // ФГВ. - 2004. - Т. 40, № 1. - С. 3 - 20. (из перечня ВАК)

4. Volchkov Е.Р., Terekhov V.V., Terekhov V.I. A numerical study of boundary layer heat and mass transfer in a forced convection of humid air with surface steam condensation // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 2004. - Vol. 47, No. 6-7. -P. 1473-1481. (из перечня ВАК)

5. Терехов В.В., Терехов В.И. Теплообмен в высокой вертикальной прослойке с оребрением одной из боковых стенок // Теплофизика высоких температур. - 2006. - Т. 44, № 3. - С. 439 - 444. (из перечня ВАК)

6. Maslova Е.О., Terekhov V.V., Terekhov V.I. Control of heat transfer in a vertical interlayer with finned side walls // Heat Transfer Research. - 2008 -Vol. 39. No 8 - P. 713-723. (из перечня ВАК)

7. Terekhov V.I., Terekhov V.V. Heat-transfer in a high vertical enclosure with multiple fins attached to the wall // Int. J. Enhanced Heat Transfer. - 2008. -Vol. 15, No 4 - P. 302-312. (из перечня ВАК)

8. Volchkov E.P., Terekhov V.V., Terekhov V.I. Influence of boundary conditions on the structure of laminar boundary layer with hydrogen combustion on a permeable surface // Int. J. Heat Mass Transfer - 2009. - V. 52, No. 17-18. - P. 4090-4094. (из перечня ВАК)

9. Terekhov V.V., Terekhov V.I. Formation of Vortex Structures in a Vertical Enclosure with Finning of Its Both Walls // Heat Transfer Res. - 2010. - Vol. 41, Is. 4. - P. 353-368. (из перечня ВАК)

10.Волчков Э. П., Терехов В.В., Терехов В. И. Влияние предыстории течения на горение в ламинарном пограничном слое // Физика горения и взрыва. -2010. - Т. 46, № 6. - С. 3-11. (из перечня ВАК)

1 l.Terekhov V.V., Terekhov V.l. Numerical Investigation of Heat Transfer in Tall Enclosure with Ribbed Walls // Comput. Thermal Seien. - 2010. - Vol. 2, Is.l -P. 33-42. (из перечня ВАК)

12.Волчков Э. П., Терехов В.В., Терехов В. И. Характеристики пограничного слоя с горением водорода при вариации тепловых условий на проницаемой стенке // Физика горения и взрыва. - 2009. - Т. 45, № 3. -С. 3-11. (из перечня ВАК)

13.Терехов В. В., Терехов В. И. Свободноконвективный теплообмен в дифференциально обогреваемой вертикальной полости при дополнительном подводе тепла через нижнюю стенку // Теплофизика высоких температур. - 2012. - Т. 50, №1. - С. 96-103. (из перечня ВАК)

14.Hanjalic К., Volchkov Е.Р., Lukashov V.V., Terekhov V.V. Characterization of the flame blow-off conditions in a laminar boundary layer with hydrogen injection // Comb. Flame. - 2013. - V. 160, No. 10, - P. 1999-2009. (из перечня ВАК)

15.Лукашов В.В., Терехов В.В., Ханъялич К. Теплообмен в пограничном слое на проницаемой пластине при вдуве и горении // Теплофизика и аэромеханика. - 2013 - №6. - С.705-712. (из перечня ВАК)

16.Волчков Э.П., Терехов В.В., Терехов В.И. Влияние предыстории течения на тепломассообмен и горение в ламинарном пограничном слое // Тепловые процессы в технике.-2010. - №11,- С. 482-487. (из перечня ВАК)

17.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 / Под общ. ред. Ю.В.Полежаева. М.: Энергомаш, 2006. - 352с.

18.Терехов В.И., Терехов В.В, Шаров К.А. Тепло - и массообмен при конденсации водяного пара из влажного воздуха // Инж. физ. журн., 1998, т. 71, №5, с. 788-794.

19.Терехов В.И., Терехов В.В., Шишкин Н.Е., Би К.Ч. Экспериментальное и численное исследования нестационарного испарения капель жидкости // Инж. физ. журн. - 2010. - №5. - С. 829-836.

20.Волчков Э.П., Лукашов В.В., Терехов В.В. Исследование теплового ламинарного пограничного слоя при горении водорода, Труды Всероссийской конференции «Механика и наномеханика структурносложных и гетерогенных сред. Успехи, проблемы, перспективы», Москва, 30 ноября-2 декабря 2009.

21.Терехов В.И., Терехов В.В., Шишкин Н.Е., Экспериментальное и численное исследование нестационарного испарения капель, Труды Минского Международного Форума по тепломассообмену ММФ-VI, Минск, 19-23 Мая 2008, CD-ROM, 11р.

22.Terekhov V.l., Terekhov V.V., Volchkov Е.Р., Simulation of boundary-layer flows with combustion at various wall thermal conditions, Proc. 7th Int. Symp. On Heat Transfer (ISHT7'08), 2008, October, 26-29, Beijing, China, CD-ROM, 12p.

23.Volchkov E.P., Terekhov V.V., Terekhov V.I., The effect of thermal conditions on a wall on the flame structure in a boundary layer, Book of Abstracts 6th International Seminar on Flame Structure (6th ISFS), Brussels, Belgium, September, 14-17, 2008, pp. 80-81.

24.Терехов B.B., Терехов В.И. Формирование вихревых структур в вертикальной прослойке с оребрением обеих стенок. // Труды третьей международной конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках", Москва. - 21 -23 октября. - 2008. - 11 с.

25. Terekhov V.I., Terekhov V.V., and Maslova E.O., Numerical investigation of heat transfer in a tall enclosure with ribbing walls, "Advances in Computation Heat Transfer", CD-ROM, 11-13 May 2008, Marrakesh, Morocco.

26.Volchkov E.P., Terekhov V.V., Terekhov V.I., Effect of flow history on laminar boundary layer combustion, CD-ROM, HEFAT2010, 7th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 19-21 July 2010, Antalya, Turkey.

27.Volchkov E.P., Lukashov V.V., Terekhov V.V., Investigation of a laminar boundary layer at hydrogen combustion Proceedings of the International Heat Transfer Conference, IHTC14, August 8-13, 2010, Washington, DC, USA, HTC14-22509.

28.Терехов В.И., Терехов B.B., Грищенко B.B. Влияние геометрии вертикальной прослойки на свободноконвективный теплообмен в режиме многоячеистого течения // Труды Минского Международного Форума по тепломассообмену ММФ-V, 24-28 мая 2004, - Минск: ИТМО,- CD-диск: №1-65.-13 с.

29.Терехов В.В., Терехов В.И. Численное исследование термогравитационной конвекции при наличии теплообмена на боковых поверхностях и дне узкой вертикальной прослойки // Труды 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-4). Москва, Россия, 23-27 октября 2006. - М.: МЭИ. - 2006. - Т.З. - С. 156 - 159.

30. Терехов В.И., Терехов В.В., Шишкин Н.Е., Патрикеев Д.Л. Экспериментальное и численное исследование нестационарного испарения капель жидкости // Труды VI Минского международного форума по тепло- и массообмену, Минск. - 19-23 мая. - 2008. - № 5-45. -10 с.

31.Волчков Э.П., Терехов В.В., Терехов В.И. Влияние предыстории течения на горение в ламинарном пограничном слое // Труды 5-ой Национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5), Москва. - 25-29 октября 2010. -М.: Изд-во МЭИ (ТУ). - Т. 1. - С. 77-80.

32.Терехов В.В., Терехов В.И. Управление свободноконвективным теплообменом в вертикальной полости путем подогрева ее нижней стенки // Тезисы докладов XXIX Сибирского теплофизического семинара (СТС29), Новосибирск. - 15-17 ноября 2010. - Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН - С. 186-187.

33.Терехов В.И., Терехов В.В., Экаид A.JL, Управление евободноконвективным теплопереноеом в 2-й 3-D замкнутых прослойках // Тезисы докладов VII Всероссийского семинара ВУЗов по теплофизике и энергетике, 14-16 сентября 2011, Кемерово, С. 61-62.

34.Терехов В.И., Терехов В.В. Численное моделирование смешанно-конвективного теплообмена в вертикальном канале с системой дискретных тепловыделяющих элементов // Труды XIV Минского Международного Форума по тепломассообмену. - Минск: ИТМО БАН, Беларусь. - 10-13 сентября 2012. Статья 1-94. - 12 с.

35.Лукашов В.В., Терехов В.В. Управление горением в пограничном слое на проницаемой поверхности, XIX Школа-Семинар молодых ученых под рук. акад. Леонтьева А.И., Орехово-Зуево, 2013, Per. No 217.

36.Бочкарева Е.М., Терехов В.В., О роли преференциальной диффузии при горении водорода в ламинарном пограничном слое, XIX Школа-Семинар молодых ученых под рук. акад. Леонтьева А.И., Орехово-Зуево, 2013, Per. No. 065.

37.Terekhov V.I., Terekhov V.V., Nemtsev V.A., Sorokin V.V. Numerical investigation of conjugated heat and mass transfer at steam condensation on the falling liquid drops // Proc. of 8th Int. Conf. on Multiphase Flow, ICMF 2013, -Jeju, Korea - May 26-31, 2013,- USB flash drive. Paper ICMF2013-911, 5 p.

Подписано к печати 30.01.14 г. Заказ № 5 Формат 60x84/16. Объем 2 уч.-изд. л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 1

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Терехов, Владимир Викторович, Новосибирск

На правах рукописи

05201450843

Терехов Владимир Викторович

ТЕПЛОМАССООБМЕН В ПРИСТЕННЫХ ТЕЧЕНИЯХ СО ВДУВОМ, ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ И ГОРЕНИЕМ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ 2

ОБОЗНАЧЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС НА ПРОНИЦАЕМЫХ 14 ПОВЕРХНОСТЯХ С ФАЗОВЫМИ И ХИМИЧЕСКИМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Тепломассообмен при испарении жидкости в газовый поток 14

1.2.Тепломассообменные процессы при конденсации пара из 21 влажного воздуха

1.3. Структура течения и тепломассоперенос в пограничных слоях со 25 вдувом химически реагирующих веществ

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТУРБУЛЕНТНЫХ 57 РЕАГИРУЮЩИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

2.1. Уравнения турбулентного движения многокомпонентного 57 реагирующего газа

2.2. Методика численного моделирования уравнений Навье - Стокса, 61 энергии и химической кинетики

2.3 Уравнения турбулентного пограничного слоя 64 многокомпонентного реагирующего газа

2.4. Методы моделирования турбулентных напряжений 69

2.5. Модели химического реагирования 73

2.6. Тестирование моделей и методов решения уравнений переноса 76 ГЛАВА 3. ТЕПЛОМАССООБМЕН НА ПРОНИЦАЕМОЙ 87 ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ВДУВЕ ИНОРОДНОГО ГАЗА И ПРИ НАЛИЧНИИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ

3.1. Пограничный слой при вдуве инородного газа 87

3.2. Тепломассоперенос в пограничном слое при инородном отсосе 91 (конденсация пара из влажного воздуха)

3.3. Тепломассоперенос в пограничном слое при испарении жидкости 99

3.4. Испарение капель жидкости 108

ГЛАВА 4. ГОРЕНИЕ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ 115

4.1. Определение условий стабильного горения в пограничном слое и 122 анализ механизма погасания пламени

4.2. Горение в пограничном слое при различных интенсивностях 129 вдува

4.3. Сопоставление с экспериментальными данными 159

4.4. О распределении тепловых потоков на стенке при вдуве и 165 горении в пограничном слое

ГЛАВА 5. ГОРЕНИЕ В ПРИСТЕННЫХ ТЕЧЕНИЯХ ПРИ 174

НАЛИЧИИ РЯДА ОСЛОЖНЯЮЩИХ ФАКТОРОВ

5.1. Теплообмен в ускоренных пограничных слоях 174

5.2. Горение в ускоренном турбулентном пограничном слое 192

5.3. Влияние преграды-стабилизатора пламени на структуру 200 течения в реагирующем потоке

ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ СИЛ ПЛАВУЧЕСТИ НА СТРУКТУРУ 210 ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕН В РЕАГИРУЮЩИХ И НЕРЕАГИРУЮЩИХ ПРИСТЕННЫХ ТЕЧЕНИЯХ

6.1. Теплообмен нереагирующих смешанно-конвективых пристенных 210

потоках

6.2. Смешанно-конвективный теплообмен в вертикальном канале с 224 системой дискретных тепловыделяющих элементов

6.3. Влияние сил плавучести при горении в пристенном потоке 240 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 244 ЛИТЕРАТУРА 246

ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - константа в законе Аррениуса

a in - массовая доля i-ro химического элемента в n-ом веществе

b, bj , b^ ? Ь]Т - параметры проницаемости (динамический, диффузионный,

тепловой)

Q - массовая концентрация i-ro химического элемента

Cf/2 = xw /ро Uo - коэффициент трения

Ср - удельная теплоемкость

D - коэффициент диффузии

Н - формпараметр

Hj - полная энтальпия i-ro вещества

f w = jw /ро Uo - относительная массовая скорость вдува (отсоса)

J w - поперечный поток вещества

к - кинетическая энергия турбулентности

K=(v/U о ) *dU0 /dx - параметр ускорения потока

К j - обобщенная (атомарная) концентрация i-ro элемента

1 - длина пути смешения

L - линейный масштаб

Le - число Льюиса

М - молекулярная масса

р - давление

Рг - число Прандтля

Ч к ? q s > q j > - конвективная, суммарная компоненты теплового потока и тепло, расходуемое на фазовый переход Q - источниковый член

г - теплота фазового перехода **

Re х, Re - числа Рейнольдса R - универсальная газовая постоянная Sc - число Шмидта

81 т, 81 с} ,81 ^ - числа Стентона тепломассообмена

Т - температура

Ти - степень турбулентности

и, V, - компоненты скорости

X, У, Ъ - координаты

\УП- скорость образования п-го вещества

Греческие символы:

а - коэффициент теплоотдачи

Р- коэффициент массоотдачи

5,6" - толщины пограничного слоя

Р- плотность газа

Ц, Цт - ламинарная, турбулентная вязкость

X- коэффициент теплопроводности

х - касательные напряжения

8 - диссипация кинетической энергии

СО - безразмерная скорость

V - стехиометрическое соотношение

V- фактор неизотермичности, функция тока

Ч- относительные функции трения и тепломассообмена

Ф- обобщенные функции

Подстрочные индексы:

о- условия в ядре потока, стандартные условия - условия на стенке вдуваемый газ I - турбулентный

1 - компонент эф - эффективный

--осредненная величина

1, п- пар

ВВЕДЕНИЕ

Рассматриваемые в диссертационной работе проблемы имеют и фундаментальный интерес. Понимание физического механизма

взаимосвязи совместно протекающих процессов оказывается важным для создания новых теоретических моделей.

• Исследование пограничного слоя на плоской поверхности с испарением или конденсацией, выявление влияния определяющих параметров на закономерности тепло- и массообмена;

• Выявление физического механизма влияния факторов, сопровождающих процесс горения на процессы ламиниризации течения и последующей его турбулизации;

• Определение условий стабильного горения в ламинарном и турбулентном пограничном слое и механизма погасания пламени

промышленности и проблем теплозащиты стенки в высокотемпературном потоке.

Автор защищает

• Результаты численного моделирования процессов тепломассообмена в ламинарных и турбулентных пограничных слоях с инородным вдувом, испарением (конденсацией) и границы применимости тройной аналогии Рейнольдса для процессов тепломассообмена.

• Данные численного исследования и модель погасания пламени в ламинарном и турбулентном пограничном слое на проницаемой поверхности

• Результаты исследования влияния интенсивности вдува на закономерности тепломассообмена и трения, а также границы ламиниризации и турбулизации течения за счет тепловыделения в пограничном слое и воздействия вдува.

• Комплексные данные по влиянию продольного отрицательного градиента давления на деформацию профиля скорости с образованием максимума в пристенной области и интенсификацию трения и теплообмена.

• Результаты численного анализа влияния сил плавучести на структуру течения и теплообмен в реагирующих и нереагирующих пристенных потоках

• Данные о структуре течения, тепло- и массообмене в отрывном реагирующем потоке у пористой пластины.

Апробация работы.

3, 4 и 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, Россия, 2002, 2006, 2010); 6th, 7th Int. Symposium on Heat Transfer (ISHT"08) (Beijing, China, 2004, 2008); 15th Int. Conference Methods of Aerophysical Research (ICMAR) (Novosibirsk, Russia, 2010); 29-ый Сибирский теплофизический семинар (Новосибирск, 2010); V, VI, 14-ый Минский международный форум по тепло- и массообмену (Минск, Беларусь, 2004, 2008, 2012), 4th Int. Conference on Сотр. Heat and Mass Transfer (Paris-Cachan, France, 2005), 8th Int. Conf. on Multiphase Flow ICMF (Jeju, Korea, 2013), 14th International Heat Transfer Conference, IHTC14, (Washington, DC, USA, 2010), 7th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, (Antalya, Turkey, 2010), Advances in Computation Heat Transfer (Marrakesh, Morocco, 2008), 6th International Seminar on Flame Structure (6th ISFS, Brussels, Belgium, 2008) и ряде других.

По теме диссертации опубликованы 46 работ, в том числе 16 - в ведущих отечественных и зарубежных журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций. В данных публикациях в полной мере отражены основные научные результаты работы.

Структура и краткое содержание работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. В первой главе рассматриваются существующие методы моделирования течений и тепломассообмена в пограничных слоях переменного состава, а также при наличии фазовых переходов и химических превращений. Подробно анализируются результаты численных и экспериментальных исследований тепломассопереноса при адиабатном испарении и конденсации парогазовых смесей. Особое внимание уделено обзору работ по вдуву в пограничный слой химически реагирующих веществ с образованием фронта горения. Рассматривается влияние различных факторов на сложный взаимосвязанный механизм горения в пограничном слое при наличии продольного градиента давления.

Во второй главе сформулирована математическая постановка задачи и описываются методы численной ее реализации. Проведен сопоставительный анализ моделей турбулентности различного уровня. Излагаются основные подходы к описанию аэродинамики, кинетики химических реакций и теплофизических свойств неоднородной газовой смеси, а также взаимодействия турбулентности и горения. Дается подробное тестирование разработанных программ на классических задачах теории ламинарного и турбулентного пограничного слоя на непроницаемой поверхности, а также при наличии пористого вдува и отрыва потока.

В третьей главе изучается класс нереагирующих течений при наличии массообмена на поверхности. Рассматриваются различные формы представления теплового числа Стентона и изучается подобие трения и тепломассоотдачи. Установлено, что при конденсации пара из влажного воздуха аналогия Рейнольдса выполняется при концентрации пара не превышающей Сп0 = 0,2. Численный анализ адиабатического испарения установил границы существования аналогии процессов переноса, а результаты расчета совпадают с экспериментальными данными только при

учете дополнительного теплопритока, имеющего место в опытных исследованиях.

Четвертая глава посвящена горению в классическом пограничном слое со вдувом. В ней представлены результаты численного моделирования и аналитический подход к описанию погасания пламени в пограничном слое. Далее приводятся данные по систематическому исследованию влияния интенсивности вдува через пористую стенку водорода на профили скоростей, температур и веществ. В работе непосредственно сопоставляются случаи вдува без горения и с горением. Установлено, что зона тепловыделения приводит к ламинаризации течения; а возрастание поперечного потока вещества на стенке вызывает турбулизацию течения и данные для нереагирующего течения приближаются к случаю с горением в пограничном слое. В этой главе также исследуется влияние различных условий на пористой поверхности на характер течения и теплообмен на ней при горении. Также обсуждаются характерные особенности теплообмена на поверхности при наличии фронта пламени в пограничном слое.

В пятой главе излагаются результаты численного моделирования горения в пристенных течениях при наличии продольного отрицательного градиента давления. Большой объем вычислений проделан для нереагирующих потоков с использованием различных моделей турбулентности. Наличие фронта горения приводит к образованию локального максимума продольной скорости в пристенной области и течение становится подобным пристенной струе. Фронт пламени приближается к стенке, что приводит в итоге к интенсификации теплообмена. При этом следует иметь в виду, что каждый фактор по отдельности- вдув, горение и ускорение потока приводят к снижению процессов тепломассопереноса. Далее в работе приведены результаты исследования влияния динамической предыстории течения на структуру течения и теплообмен на пластине, через которую подается топливо в

пограничый слой. Сопоставляются случаи реагирующего и нереагирующего потоков. Анализ результатов показывает, что реагирующее течение более консервативно к динамической предыстроии течения. Во второй части этой главы обсуждается влияние стабилизатора пламени (ребра или уступа), установленного перед пористой пластиной на характер течения, тепломассобмена, скорость смешения реагентов и, как следствие, на условия погасания пламени.

В шестой главе обсуждаются вопросы влияния сил плавучести на процесс