Турбулентная струя в ограниченном пространстве тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

Р Г 5 ОД

На правах рукописи - 5 13Г!*г УДК 532.529 : 532.517.4

МАРКОВИЧ ДМИТРИЙ МАРКОВИЧ

ТУРБУЛЕНТНАЯ СТРУЯ В ОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1994

Работа выполнена в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

С.В. Алексеенко.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.И.Терехов (ИТ СО РАН)

доктор физико-математических наук, профессор

АЛ. Маслов (ИТПМ СО РАН)

Ведущая организация:

НИИ Энергетического машиностроения МГТУ им. Н.Э.Баумана, г. Москва

Защита состоится ^СЬС^)* 199 ^ г. в в

гС<>

часов на

заседании специализированного совета в Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан " ^^ " 199"^г.

Ученый секретарь

специализированного совета, д.т.н. / . _- В.НЛрыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Во многих типах технологических агрегатов и технических устройств в том или ином виде реализуются струйные течения. Так, практически во вссх конструкциях энергетических установок вдув горючей смеси осуществляется в виде прямоточных или закрученных струй. Область практики, связанная со взаимодействием струй с твердыми поверхностями включает, помимо теплоэнергетики, процессы вентиляции, струйного нагрева и охлаждения заготовок, конденсацию и динамическую очистку.

Одним из эффектов, существенным образом влияющих та распространение струй в ограниченном пространстве, является эффект Коанда, который проявляется в отклонении струи, близкой к двумерной, в сторону близкорасположенной стенки с последующим присоединением к ней.

Известные теоретические модели присоединенных струйных течений (Bourque, Sawyer, Hoch, Абрамович) в своем большинстве основаны на интегральных подходах и требуют экспериментальной информации. До сих пор не создано адекватной модели, позволяющей описывать сложные присоединенные течения, сопровождаемые дополнительным вдувом.

Практически не исследована область критической точки в присоединенных струях, а большое количество исследований процессов в этой зоне, проведенное для импактных струй, касается в основном теплообменных характеристик, в то время как для изучения динамического воздействия необходимы данные по гидродинамике и турбулентной структуре. Наконец, некоторые эффекты, связанные с интенсификацией тепломассообмена в градиентной области импактных струй до сих пор не объяснены, имеется лишь ряд гипотез, часто взаимоисключающих, например, влияние крупномасштабных вихревых (когерентных) структур - Гиневский, Özdemir, Kataoka, или динамика развития распределений кинетической энергии турбулентности - Amano.

Многообразие возможных форм взаимодействия струй с поверхностями и широкая область практического применения требуют определения физических закономерностей таких течений и создания новых математических моделей, а следовательно, и экспериментального изучения характеристик струйных потоков.

Целью работы является комплексное изучение закономерностей распространения турбулентных струй в ограниченном пространстве и процессов взаимодействия струйных течений с твердыми поверхностями, а именно:

1) экспериментальное определение гидродинамических характеристик осесимметричной импактной струи в градиентной области течения;

2) экспериментальное исследование присоединения к стенке плоских турбулентных струй, истекающих параллельно или под углом из сопла над уступом (эффект Коанда). Изучите гидродинамики течения при управлении присоединенным струйным течением посредством вдува (отсоса) в зону

разрежения. Как практическое приложение - моделирование аэродинамики фонтанно-вихревой топки.

3)исследование распространения осе симметричных и плоских турбулентных струй в пространстве, загроможденном пучком цилиндров.

Методика эксперимента литых исследований. Основной объем исследований проведен при помощи электродиффузионного метода. Величины статического давления определялись отбором через отверстия на стенке с регистрацией дифманометром на основе терморезисторного преобразователя. Общая структура течения изучалась посредством визуализации воздушными пузырьками с регистрацией фото- и видеосъемкой.

Научная новизна. Впервые с использованием двойных электродиффузионных датчиков трения измерены распределения осредненных и пульсационных значений трения на стенке в непосредственной окрестности критической точки натекания в осесимметричной импактной и плоских присоединенных струях; экспериментально зафиксировано нулевое значение трения в точке стагнации. Обнаружены области существования локального нестационарного отрыва потока в зоне падения градиента давления на стенке для осесимметричной импактной струи.

Проведено количественное исследование влияния вдува (отсоса) в зону разрежения присоединенной плоской струи. Показано определяющее влияние вида вдува (струйного или рассеянного) на структуру течения и отсутствие влияния вида отсоса.

Проведено изотермическое моделирование аэродинамики фонтанно-вихревой топки новой геометрии,

Выявлены основные закономерности распространения осесимметричных и плоских турбулентных струй в канале, загроможденном пучком цилиндров. При помощи электродиффузионного метода впервые измерены поля осредненных и пульсационных скоростей в межтрубном пространстве для широкого диапазона режимных и геометрических параметров; показано существенное влияние эффекта Коанда на течение. Установлено, что характер взаимодействия струи с первым по потоку цилиндром (рядом цилиндров) определяет всю структуру течения.

Эти результаты представляются автором к защите.

Практическая ценность. Полученный объем экспериментальных данных позволяет дать рекомендации к совершенствованию конструкций конкретных технологических аппаратов, теплоэнергетического оборудования, струйной и пневматической техники. Анализ результатов проведенных исследований дает возможность модифицировать существующие математические модели с учетом реальных физических закономерностей. Ряд полученных принципиальных результатов открывает новое поле для экспериментальных и теоретических исследований с целью воссоздания адекватной физической картины изучаемых явлений.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях молодых ученых (ИТ СО РАН, Новосибирск, 1988, 1989, 1991 гг. ИТМО, Минск, 1988 г.; ИТГФ, Алушта, 1989 г.); на Всесоюзной конференции 'Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 1988 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы аэродинамики газовоздушных. трактов котельных агрегатов" (Барнаул, 1989 т.); на международном снпозиумс IUTAM-90 "Separated Hows and Jets" (Новосибирск, 1990 г.); на 10-м международном конгрессе "CHISA-90" (Прага, 1990 г.); на Всесоюзной конференции "Оптичекие методы исследования потоков" (Новосибирск, 1991 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов" (Челябинск, 1992 г.); на международном семинаре "Electrodifiusion Diagnostics of Flows" (Дурдан, Франция, 1993 г.); на международном симпозиуме 'Turbulence, Heat and Mass Trasnfci" (Лиссабон, Португалия, 1994 г.); на 1-ой международной конференции "Flow Interaction" (Гонконг, 1994 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы. Работа содержит 130 рисунков, библиография 120 наименований, общий объем диссертации 250 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность данного исследования, определены цели работы, кратко сформулированы полученные результаты, показана их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе приведено описание экспериментальных установок и методики измерений.

Экспериментальные установки - два прямоугольных оргстеклянных канала внутренним сечением 86x162 мм^ и высотой 540 мм и 1700 мм соответствено. Они являются частью замкнутого гидродинамического контура, состоящего из бака, двух насосов, системы труб и вентилей. Контур оснащен набором ротаметров и сужающих устройств для измерения расходов жидкости. Малый канал использовался для моделирования аэродинамики топочных агрегатов и изучения обтекания пучков цилиндров. Большой канал имеет ряд конструктивных особенностей, таких как передвижная стенка с датчиками и сменный блок для организации струйных течений и использовался для изучения импактных и присоединенных струй. Максимальный расход жидкости, получаемый в гидродинамическом контуре в зависимости от сопротивления рабочего участка изменялся в пределах 6 -5- 8 • 10~3 м3/с.

Далее следует описание элеиродиффузионного метода исследования гидродинамических характеристик потоков. Суть метода - в измерении скорости окислительно-восстановительной реакции в электрохимической ячейке, состоящей из датчика - катода, анода большой площади и специального электролита. Миниатюрные датчики, как правило, изготавливаются из платины или никеля, анод- из нержавеющей стали. Электролит - эквимолярный раствор ферро - и феррицианида калия с добавлением едкого натра или карбоната натрия. В диффузионном режиме ток в электрической ячейке зависит только от конвективного подвода рабочих ионов к катоду. В зависимости от конструкции и расположения датчика в потоке метод позволяет определять скорость жидкости и касательное напряжение та стенке.

Здесь же рассматривается конструкция и характеристики двойных датчиков, позволяющих определять величины вектора скорости и трения на стенке. Эти известные конструкции датчиков были впервые применены автором к измерениям в сложных не одномерных потоках.

Вторая глава посвящена исследованию гидродинамики осе симметричной импактной струи. В первом разделе дан обзор имеющихся теоретических и экспериментальных исследований натекания осесимметричных и плоских струй на преграду. Рассмотрена общепринятая схема течения импактной струи, которая основана на разделении потока на три области: 1) область свободной струм, начинающаяся на срезе сопла и заканчивающаяся на расстоянии 1,2 - 1,5 размеров сопла от преграды; 2) градиентная область, где происходит немонотонное изменение характеристик течения и значительно интенсифицируются процессы тепло- и массообмена; 3) область пристенной струи. Наименее изученной является градиентная область течения вследствие ее сложной структуры и относительно малой толщины пограничного слоя вблизи критической точки, зачастую соизмеримой с габаритами зондов, используемых для исследования потока. Основной объем экспериментального материала, полученного различными авторами, связан с измеренияхо! коэффициентов тепло- и массоотдачи в окрестности критической точки. В то же время, такая важная характеристика течения, как касательное напряжение на стенке, измерялась только в единичных работах и весьма грубыми методами. Получение же информации об этой

А-А

86мм

Рис. 1. Схема рабочего участка для иследования осесимметричной импактной струи

величине возможно только через непосредственные измермшя, имея ввиду общепризнанный факт отсутствия аналогии Рейнольдса в градиентной области.

В первом параграфе второго раздела произведен расчет характеистик течения осе симметричной импактной струи в градиентной области на основе уравнения импульсов для ламинарного оеесимметричного пограничного слоя:

+ (262 + + аг аг г р

Использование ламинарного подхода представилось возможным на основании

результатов ряда исследований, утверждающих, что при расстояниях между срезом

сопла и плоскостью, меньших длины начального участка струи, уровень

турбулентности вблизи критической точки является крайне низким и течение там

можно считать ламинарным. Для определения скорости внешнего течения И,

входящей в уравнение, использовались измеренные распределения статического

давления на стенке в окрестности критической точки, которые описываются

автомодельной зависимостью: ~р - ¡1 + 0.757~г2) ■ Результаты расчета,

проведенного метолом Польгаузена, использовались для тарировки датчиков трения, которая проводилась в точке его максимальною значения. Схема течения импактной струи показана на рис.1. Пример измеренного распределения касательного напряжения на стенке приведен на рис.2. Нулевые значения трения в критической точке были зафиксированы впервые. Это оказалось возможным благодаря использованию двойного электродиффузионного датчика, который в каждый момент времени измеряет значение трения со своим знаком. Оередненные по времени величины в своей сумме и дают нулевое значение касательного напряжения в критической точке. Второй максимум трения ранее уже наблюдался некоторыми авторами в распределениях как коэффициентов тепломассоотдачи, так и трения. В данной работе обнаружено, что в точке минимума трения (непосредственно перед вторым максимумом) существуют локальные возвратные течения, или мгновенные отрицательные пульсации трения. Этим величинам соответствует отличный от нуля коэффициент возвратного течения

У'.~ [/( -)//(+)] ^ представляющий собой отношение времен

существования прямого и возвратного течений (рис.3,а). Доля возвратных течений составляет всего 3% от прямого для расстояния Н/Ф~-2 и 0,3% для Н/^А.При больших II данный эффект исчезает. Эти локальные отрывы обусловлены, очевидно появлением положительного градиеш'а давления в данной области. Тщательные измерения давления действительно показали наличие локального максимума (рис. 3,6).

Распределения параметра у, измеренные в окрестности критической тпчки, показаны на рис.4. Они имеют характерную форму с острой вершиной и плавным

Па 40"

; л

; ч \ / •

* 1

V I

\ 1

©=180°1 т- - I 1 ' 6=0° 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

-0.3

•0.4

-о.г

% г:

0.1

-20 -10 0 10 20 30 40 00

г/мм

0.0

Рис.2. Распределение трения и пульсаций в осесимметричной импахтной струе

1.00

0.75 -

0.80 -

сооос 2 •««с« 5

□ □ооо 0

Рис.4. Коэффициент возвратного течения

Рис.3. Характеристики осе симметричной импактной струи в зоне нестационарных отрывов

изменением у с увеличением г. Размер области перемежаемости изменяется экспоненциально с увеличением II от долей милиметра при Н/Ф= 2 до нескольких миллиметров при больших Н/(1= 8 10 мм). В работе проведено обобщение размеров области перемежаемости с помощью измеренного абсолютного уровня пульсаций трения. Показано, что полуширина у выходит на два постоянных уровня, соответствующих зонам начального и основного участков натекающей струи.

Третья глава посвящена изучению гидродинамики присоединяющихся плоских струй. В первом разделе приведен обзор существующих теоретических моделей подобных течений и анализ экспериментальных данных, отраженных в литературе. Большинство теоретических моделей основывается на интегральном подходе с привлечением эмпирической информации. Значительная часть нефизичных предположений, упрощающих расчет, компенсируется введением различного рода эмпирических коэффициентов. Ряд моделей удовлетворительно описывает характеристики плоских присоединенных струй. В то же время единичные теоретические работы, посвященные учету влияния дополнительного вдува (отсоса) в зону разрежения не позволяют адекватным образом отразить все особенности течения.

Экспериментальные данные, имеющиеся в литературе, касаются измерений распределений скорости, турбулентных характеристик, давления на стенке и в отрывной зоне. В то же время практически отсутствует информация о характеристиках тепломассообмена и трения на стенке, неизученной является непосредственная окрестность критической точки в присоединенной струе, нет систематических исследований процессов, связанных с использованием вдува и отсоса при управлении присоединенными струйными течениями.

Во втором разделе рассматривается спектр возможных режимов течения при распространении плоских струй в канале. В зависимости от совокупности режимных и геометрических параметров наблюдается либо присоединение струй к стенкам канала и взаимодействие их между собой (эффект Коанда), либо ярко выраженные автоколебательные режимы. При непрерывном перемещении одной из ограничивающих стенок зафиксирован режимный гидродинамический гистерезис, когда тот или иной режим течения при данных геометрических параметрах реализуется в зависимости от направления перемещения стенки.

Рис.5. Схема рабочего участка для исследования плоских присоединенных струй

Хк

Третий раздел посвящен исследованию распространения плоских турбулентных струй при их поперечном истечении в канал. Проведены измерения распределений давления и трения на стенке для различных значений высоты уступа и угла наклона дна. Определены лульсационные характеристики трения. Показано, что значения касательного напряжения на стенке в отрывной зоне имеют тот же порядок величины, что и в течении ниже по потоку от точки присоединения, хотя струя присоединяется к стенке под малым углом. Этот факт имеет важное значение для совершенствовали математических моделей подобных течений, поскольку в большинстве из них трение на стенке в отрывной зоне предполагается равным нулю.

В четвертом разделе представлены экспериментальные данные по распространению плоских турбулентных струй при их продольном истечении в прямоугольный протяженный канал. Исследования проводились в условиях различных видов вдува и отсоса в зону разрежения. Схема экспериментального участка

приведена на рис.5. В экспериментах было реализовано три типа вдува: тип 0 -рассеянный (диффузионный) вдув; тип 1 - струйный поперечный; тип 2 - струйный продольный. Рассеянный вдув характеризуется пренебрежимо малой величиной плотности потока импульса по сравнению с основной струей. Струйные же типы вдува дают существенный вклад в полный импульс течения. Измерения размеров области отрыва потока, а также распределений трения и давления в отсутствие вдува показали

Рис.6. Влияние вида дополнительного вдува на слабое влияние огра-

присоедмнение плоской струи ничивакнцих стенок

1.0

0.7

0.4

х*/х„ ВДУВ ТИП 3 ООООО ТИП 1 ллллл тип г

¿Г « Н/Ь=в, 2Ь=12им, 1>1=Ъ!=ЗЦМ, Ч/Ч

-04

-0.2

0.0

канала на характеристики течения в области до точки присоединения. Сопоставление результатов с данными, полученными в третьем разделе позволяет сделать вывод, что течение перед точкой присоединения определяется исключительно отосительной высотой уступа и величиной угла наклона плоскости. Принципиальное влияние вида вдува на картину течения показано на рис. 6,а для относительной величины дополнительного вдува равной д/0=Ъ, 15, а на рис.6,б показаны распределения статического давления на стенке для тех же параметров. <2и - соответственно величины объемного расхода основного и дополнительного потоков.

В то же время способ отсоса не оказывает влияния на характеристики течения, а отличие проявляется лишь в малой области вблизи управляющих сопел. Результаты измерений координаты точки присоединения плоской струи показаны та рис.7 для различных величин и типов управляющего течения. В отличие от диффузионного и поперечного струйного способов вдува, спутный струйный вдув, начиная с д/0> 0.1, оказывает противоположный эффект, связанный с уменьшением размеров отрывной зоны, которое обусловлено взаимным притяжением основной и параллельной ей дополнительной струй. Таким образом, продольный струйный вдув в ряде случаев эквивалентен отсосу жидкости из отрывной зоны, за исклн>че!шем абсолютных величин динамического напора в окрестности точки присоединения и вихревой структуры потока в зоне разрежения. Немонотонное изменение координаты точки присоединения для больших значений $/(.2 характерно и для диффузионного вдува. Начиная с некоторого критического значения скорости распределенного дополнительного потока "доп/"сг 0.06, течение становится эквивалентным пристенному потоку со ступенчатым профилем скорости, вихревое движение в области между струей и стенкой исчезает и точка присоединения, определяемая в этом случае как точка пересечения граничной линии тока струи со стенкой, сдвигается в обратную сторону.

Измерения трения на стенке при присоединении плоской струи были выполнены электродиффузионным методом с использованием двойных датчиков. Пример измеренных распределений осредненного трения и его пульсаций показан на рис.8 для разных величин диффузионного вдува и отсоса. Также, как и для осесимметричной импактной струи, в точке присоединения были зафиксированы нулевые значения трения. С увеличением угла натекания струи на стенку {д/0<Щ

0.2 0.4

Рис.7. Зависимость координаты точки присоединения от параметра вдува

абсолютные значения максимумов трения по обе стороны от критической точки возрастают а максимум уровня турбулентных пульсаций, имеющий место в окрестности критичекой точки, становится более ярко выраженным. Измеренные значения коэффициентов возвратного течечения у имеют вид, подобный полученному для осе симметричной импактной струи и сохраняют симметричную форму вне зависимости от угла натекания струи на стенку. Этот факт говорит о подобии турбулентной структуры окрестности критической точки в различных импактных потоках, независимо от характера внешнего течения.

^С, 10"' £ а

' 1!«=4.в5 -10*

Н/Ъ=6; гЬ=12 шш

ч/Ч

иш 0

пгууу) -0.18

Х? ШМ +0.15

х/Н

т; * б

/Зй*!

х/Н

6

8

10

Рис.8. Распределение трения и пульсаций та стенке в присоединенной струе

V иИл

и

Рис.9. Картина течения в модели фонтанно-вихревой топки

Пятый раздел третьей главы посвящен изотермическому моделированию фонтанно-вихревой топки, предназначенной для сжигания Канско-Ачинского угля. Ее конструкция характеризуется подовой подачей топливно-воздушной смеси через ряд близко расположенных друг к другу горелок. На некотором расстоянии от среза сопел ряд круглых струй сливается, образуя плоскую струю. При этом проявляются все закономерности течения, свойственные двумерным струям в канале, в частности отклонение струи к стенке за счет эффекта Коавда с последующим присоединением. Для топочного процесса такое течение является неприемлемым, поскольку наброс факела на стенку приводит к сильной

неравномерности тепловой нагрузки топочных экранов и интенсивному шлакованию теплообменных поверхностей.

Измерения полей осредненной скорости и турбулентных пульсаций были проведены при помощи электродиффузионного метода. При этом использовались датчики скорости типа "лобовая точка" с внешним диаметром 70-80 мкм.

Основные результаты моделирования заключаются в следующем: показана возможность управления течением при помощи дополнительных аэродинамических пережимов и струйного пристенного вдува. Определены оптимальные значения величины дополнительного вдува, а также оптимальные

форма, размеры и положение аэродинамических пережимов Одна из наиболее практически приемлемых картин течения в модели фонтанно-вихревой топки показана на рис.9.

В четвертой главе приведены результаты комплексного исследования распространения плоских и осесиммет-ричных струй в пространстве, загроможденном пучком щшиндров. На практике такого рода течения имеют место при струйной очистке конвективных трубчатых теплообменников, в процессах струйного нагрева и охлаждения деталей при

термической обработке. Большинство лите-

1

ратурных данных, касающихся взаимодеи-

Рис.Ю. Схема рабочего участка для етт „руд с цилиндрическими поверхнос-

изучения струйного течения в пучке -

1 та ми посвящено исследованию обтекания

цилиндров.

одиночного цилиндра. При этом авторы отмечают интенсификацию теплообмена при удаленности цилиндра от среза сопла, составляющей около двух длин начального участка. В этом случае уже успевает развиться турбулентная структура струи, а с другой стороны велико еще динамическое воздействие. Распространение струй в пучках труб исследовалось в единичных работах и касалось конкретных технических устройств. Обзору литературных данных посвящен первый раздел главы.

Во втором разделе описана схема рабочего участка для изучения струйных течений в пучках цилиндров, которая приведена на рис.10. Исследования проводились в широком диапазоне геометрических параметров пучка и чисел Рейнольдса. Общая структура течения определялась при помощи метода визуализации, локальные гидродинамические характеристики потока измерялись электродиффузионным методом с использованием датчиков типа "лобовая точка".

© ■1 1 ООО О О^Э-" о-е-е >0 х-У,

ь 68ММ 162 ММ

а. 3 Ь

Рис.11. Картины струйного течения в пучке циливдров

В третьем разделе приведены результаты исследований распространения плоских струй в пучке циливдров. Эксперименты показали, что эффект Коанда при распространении плоских струй в пучке, помещенном в канал, проявляется во взаимодействии струи как с цилинрами пучка, так и со стенками канала. В первом случае он выражен в практически безотрывном обтекании цилиндра и в сильном искривлении струи, когда она взаимодействует с цилиндром в пределах своего начального участка.

Выявлен широкий спектр возможных режимов течения, симметричных и несимметричных, устойчивых и неустойчивых. Для шести симметричных устойчивых режимов были измерены поля осредненных и пульсационных

и "о 1.0

0.5

у/У

0

0.

5

1.0

У и

0.5

Рад

ооооо 1 5 =Ъ\!2

ии* 2

ЛЛЛЛЛ 3

аоппа 6

щшш 8

ч

1.0 0 0 5

Рис.12. Распределение скоростей и пульсаций при истечении струи в зазор между вертикальными рядами цилиндров.

1.0

скоростей в межзрубном пространстве. Такого рода данные получены впервые. Симметричное распространение плоской струи в пучке цилиндров имеет две предельные формы: при истечении струи строго в промежуток между вертикальными рядами (8-д5{/2 на рис. 10) и при лобовом натекании на цилиндр (3=0). Схемы течения для этих режимов показаны на рис. 11а

и

ио 1.0

0.5

4 '1

у/У [

0.5

1.0

Рис.13. Распределение скоростей и пульсаций при лобовом натекании струи на цилиндр.

и б соответственно. Характером взаимодействия струи с первым рядом (цилиндром) пучка определяется вся структура течения. На рис.12 и 13 приведена эволюция измеренных профилей скорости и пульсаций по глубине пучка для режимов, изображенных на рис. 11 а и б соответственно. Если в первом случае течение близко по

структуре к течению в канале, то для 8=0 характерно практически безотрывное обтекание первого цилиндра (эффект Коанда) со скоростями, превышающими скорость истечения струи из сопла. Существенно различается и турбулентная структура течения. Для полностью идентичных геометрических вариантов, различающихся только значениями 5, уровень турбулентности к 3 - му ряду пучка для варианта с о=0 почти вдвое выше, чем при истечении струи в зазор. Коренным образом различаются и законы затухания максимальной скорости в струе для этих предельных случаев (рис. 14).

Еще большее количество всевозможных режимов течения реализуется при распространении осесимметричной струи в пучке (четвертый раздел). Течение в __большинстве из них имеет

Цт

и0 1 -

Ф с^ В—^

«I»

Ж.

та

8 Ь/Л 1Л>

э»»м13.5 0.54 4.62 13.5 0.54 3.08 -ЬЯССТ 13.5 0.54 1.54 ООООО 0 0 54 3 08 0 1.08 3 08 ГШ 0 2 62 3 08

- « * 10 < ж

Рис. 14. Затухание осевой скорости в плоских струях.

сложную пространственную структуру. Для некоторых устойчивых режимов также были измерены поля скоростей и пульсаций. Для лобового натекания осесим-метри'иой струи на цилиндр первого ряда зафиксировать симметричное течение не удалось. Струя огибает цилиндр, искривляется и течение приобретает вид, изображенный на рис. 11,в. относительно пучка, после

При квазистационарном перемещении сопла прохождения оси симметрии струя скачком меняет свое направление на зеркально

отраженное. При этом имеет место гидродинамический гистерезис, проявляющийся в зависимости координаты точки переброса струи от направления движения сопла. Были построены режимные карты, отражающие области существования всего спектра режимов в зависимости от параметров /, 8 и направления движения сопла.

Пятый раздел четвертой главы посвящен исследованию обтекания пучка цилиндров однородным потоком, как предельного случая широкой струи. Кроме того, данный объект представляет и самостоятельный интерес, и полученные результаты могут напрямую использоваться для расчетов и усовершенствования конкретных технологических устройств, в процессе создания которых необходимо знание закономерностей теплообмена, загрязнения и эрозии.

Для ряда геометрических вариантов пучка измерены поля скоростей и турбулентных пульсаций, определены размеры и форма отрывных зон за цилиндрами. Показано принципиальное различие гидродинамических характеристик потока для коридорных и шахматных пучков цилиндров. В шахматных пучках гидродинамическая картина стабилизируется после 3-го горизонтального ряда. Форма отрывной зоны существенным образом зависит от геометрической конфигурации пучка при тесном расположении цилиндров хУу^ЛЗ и перестает зависеть от геометрии в слабо упакованных пучках. В последнем случае имеет место практически полное совпадение с формой отрывной зоны за одиночным цилиндром. Влияния местоположения цилиндра в пучке, и числа Рейнольдса на форму отрывной зоны не обнаружено в исследуемом диапазоне Яе.

Проведено сравнение результатов эксперимента с расчетом по модели идеальной жидкости, основанном на представлении цилиндра с отрывной зоной квазитвердым телом, моделируемым рядом гидродинамических диполей с последовательно уменьшающимися моментами. Расчет был проведен С.Ю.Беловым (СибВТИ, Красноярск) с использованием определенных в наших экспериментах контуров отрывных зон.

Показано, что для течения с сильно искривленными линиями тока, имеющего место в шахматных пучках, результаты расчета удовлетворительно совпадают с экспериментом, для коридорных пучков гораздо более приемлемо описание экспериментального профиля степенным законом скорости для течения в шероховатом канале.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено экспериментальное исследование локальных характеристик осе симметричной импакшой струи в градиентной области. Впервые измерены осредненные и пульсацлонные величины касательного напряжения на стенке в окрестности критической точки. Экспериментально зафиксированы точка с

нулгвым средним значением трения и области локального нестационарного отрыва течения в зоне падения среднего градиента давления.

Измерены размеры области знакопеременного течения в окрестности критической точки и распределения коэффициента перемежаемости. Показана связь размеров области возвратных течений с уровнем турбулентности вблизи критической точки.

2. Проведено экспериментальное исследование гидродинамических характеристик присоединенных двумерных струй. Установлено, что:

1) течение в области до точки присоединения определяется: относительной высотой уступа, углом наклона стенки относительно сопла, величиной и типом управляющего течения в зоне разрежения и оно практически не зависит от геометрии окружающего пространства в исследованном диапазоне параметров.

2) тип вдува в отрывную зону определяющим образом влияет на структуру течения, отсос оказывает одинаковое влияние независимо от способа.

3) максимальные значения касательного напряжения на стенке в зоне отрыва имеют тот же порядок, что и в течении ниже по потоку от точки присоединения. Форма зависимости коэффициента возвратного течения остается симметричной для любых углов натехания струи на стенку.

3. В результате комплексных исследований гидродинамики распространения струй в пучках цилиндров различных конфигураций установлено:

1) на структуру течения существенное влияние оказывает эффект Коагща и характер взаимодействия струи с первым цилиндром (рядом) пучка;

2) при лобовом взаимодействии струи с первым цилиндром осевая скорость затухает быстрее, чем в свободной струе, а при истечении в зазор между цилиндрами - медленнее;

3) уровень турбулентности к третьему горизонтальному ряду значительно выше в режимах с лобовым натеканием спрум, чем при ее истечении в зазор.

4) при распространении струй в пучке цилиндров имеет место гистерезис, проявляющийся при квазистационарном перемещении сопла относительно пучка.

5) в качестве предельного случая широкой струи рассмотрено обтекание лучка цилиндров однородным потоком, показано соответствие по осредненным и пульсационным характеристикам.

4. Проведено изотермическое моделирование аэродинамики фонтанно-вихревой топки. Определены оптимальные для топочного процесса режимные и геометрические параметры.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: 1. Маркович Д.М. Турбулентное течение в прямоугольном канале с плоским соплом// Современные проблемы теплофизики: Тез. докл. Всес. школы молодых ученых, Новосибирск, 19Я8, с.57-58.

2. Алексеенко С.В., Ефименко А.Н., Маркович Д.М., Процайло М.Я., Срьшсов С.В. Изотсрмичсскос моделирование аэродинамики фонтанно-вихревой топки// Теплообмен в парогенераторах: Докл.Всес.конф., Новосибирск, 1988, с. 169-173.

3. Алекссенко С.В., Белов С.Ю., Маркович Д.М., Шторк С.И. Гидродинамика поперечно обтекаемых пучков труб // Инж.-физ. журнал. - 1990. - т.58, N1, с. 5-11.

4. Маркович Д.М. Экспериментальное исследование гидродинамики поперечно обтекаемых пучков труб. // Процессы теплообмена в энергетических установках: Сб. научн. трудов.- Минск, 1990, с.45-49.

5. Alekseenko S.V., Markovich. D.M. Interaction of plane, turbulent jets// Proc. of IUTAM Symposium on separated flows and jets., 9-13, July, 1990, Novosibirsk, 1990, p. 15-16.

6. Alekseenko S.V., Markovich D.M. Fluid dynamics of crossflow tube heat exchangers // Proc. of 10th Int. Congress CHISA-90, 27-31.08.1991, Praha, Chechoslovakia, 1990.

7. Алексеенко C.B., Маркович Д.М., Шторк С.И. Применение видеотехники для визуальных исследований сложных турбулентных потоков // Оптические методы исследования потоков: Тез. докл. Всес. конф., Новосибирск, 1991, с. 79-80.

8. Alekseenko S.V., Markovich D.M. Interaction of plane turbulent jets/ДЦТАМ Symposium on separated flows and jets: Springer-Verlag, Berlin, 1991, P. 843-846.

9. Маркович Д.М., Шандро А.И. Характеристики двумерной турбулентной струи в ограниченном постранстве // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики: Тез. докл. Всес. конф. мол. ученых, Новосибирск, 1991, с. 241-242.

10. Алексеенко С.В., Маркович Д,М. Струйное обтекание трубчатых теплообменников // Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов: Тез. докл. научно-техн. конф. СНГ, Челябинск, 1992, с. 25-26.

11. Алексеенко С.В., Ефименко А.Н., Маркович Д.М., Срывков С.В. Изотермическое моделирование аэродинамики фонтанно-вихревой топки // Электрические станции , 1992, N11, с. 20-25.

12. Алексеенко С.В., Маркович Д.М. Применение электродиффузионного метода к измерениям в неодномерных потоках // Электрохимия, 1993, т.29, N1, с. 17-20.

13. Alekseenko S.V., Markovich D.M. Interation of a plane turbulent jet and a wall // Electrodifiusion diagnostics of flows: Proc. of the Int. Workscop, Dourdan, 1993, p. 97.

14. Алексеенко C.B., Белов С.Ю., Васильев В.В., Маркович Д.М. Исследование распространения струй в загроможденном пространстве // Физико-технические и экологические проблемы теплоэнергетики: Сб. научн. трудов, Новосибирск, НГТУ, 1993, с. 33-43.

15. Alekseenko S.V., Markovich D.M. Jet flow in a bank of cylinders // Rus. J. of Eng. Thermophysics, 1993, V.3, N2, p.173-184.

16. Alekseenko S.V., Markovich D.M. Electrodiffusion diagnostics of wall shear stresses in impinging jets // J. of Applied Electrochemistry, 1994, v.24, p. 626-631

17. Alekseenko S.V., Markovich D.M. Study of turbulent jets attaching to the wall // Proc. of Int. Symposium on Tuibulerce, Heat and Mass Transfer: Lisbon, Portugal, August 1994, p. 12.1.1-12.1.6.