Влияние продольной кривизны поверхности на теплообмен и гидродинамику в полусферической выемке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РГ6 ОА

На правах рукописи

Буланов Олег Юрьевич

влияние продольной кривизны поверхности на теплообмен и гидродинамику в полусферической выемке

(Специальности: 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика ; 05.07.05 - тепловые двигатели летательных аппаратов)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1998

Работа выполнена на кафедре турбомашин Казанского государ ственного технического университета им. А.Н. Туполева

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор A.B. Щукин

Официальные оппоненты -

Ведущая организация

доктор технических наук, доцент В.В. Олимпиев кандидат технических наук, доцент В.А. Филин АО КПП "Авиамотор", г. Казань

Защита состоится " Л 5 " июня 1998 г. в /О часов на заседанш диссертационного Совета Д 063.43.01 при Казанском государственно; техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Ка зань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ. Автореферат разослан 25 мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.Г. Каримова

ОБЩ АЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Уже более 20-ти лет значительный интерес специалистов проявляется к способам пристенной интенсификации теплообмена. Эти способы имеют высокую энергетическую эффективность за смет турбулизации лишь пристенной области течения, где имеет место максимальный поперечный градиент температуры., Следствием этого является значительное сокращение затрат энергии на прокачку теплоносителя через тракт по сравнению с затратами на турбулизацию всего потока.

В последнее время внимание ученых, занимающихся интенсификацией теплообмена, привлекают теплообменные поверхности, на которые нанесен рельеф из сферических выемок. Уже имеется удачный опыт использования поверхностей со сферическими выемками для интенсификации теплообмена в турбинных лопатках ГТД, в ТВЭЛах ядерных реакторов и в мощных полупроводниковых преобразователях энергии.

Несмотря на значительное количество работ по интенсификации теплообмена сферическими выемками, есть лишь единичные публикации по влиянию различных факторов на такой способ интенсификации теплообмена. Результаты исследований показывают, что требуется учитывать влияние внешних условий на теплогидравлические характеристики поверхностей, формованных сферическими выемками.

Из анализа опубликованных результатов исследований следует, что влияние продольной кривизны поверхности на гидродинамику и теплообмен в полусферической выемке не исследовано. Вместе с тем тепло-обменные тракты нередко имеют криволинейную форму. В связи с этим исследование влияния продольной кривизны поверхности на интенсификацию теплообмена сферическими выемками является актуальной задачей.

Цель работы состоит в разработке научно обоснованных рекомендаций по учету влияния продольной кривизны поверхности на теплообмен и гидродинамику в полусферической выемке.

Задачи исследования:

1. Изучение структуры и других гидродинамических параметров потока в полусферической выемке, установленной на выпуклой или вогнутой поверхности.

2. Опытное исследование влияния продольной кривизны поверхности на теплоотдачу в полусферической выемке.

3. Разработка научно обоснованных рекомендаций по расчету теплоотдачи в полусферической выемке, установленной на выпуклой или вогнутой поверхности.

Научная новизна. Впервые исследованы конвективный теплообмен и гидродинамика в полусферической выемке, установленной на кри-

волинейной поверхности. Выявлены тенденции, получены качественные и количественные данные по влиянию продольной кривизны вогнутой и выпуклой поверхностей на коэффициенты давления и теплоотдачи а также другие теплогидравлические характеристики течения в полусферической выемке. Разработаны научно обоснованные рекомендации по учету влияния продольной кривизны поверхности на теплоотдачу и гидродинамику в полусферической выемке.

Автор защищает: 1. Результаты опытного исследования гидродинамики и теплообмена в полусферической выемке, установленной не выпуклой поверхности, в диапазоне изменения (5"/К)1Ш1,= 5-Ю'4...7,8-Ю'3.

2. Результаты опытного исследования гидродинамики и теплообмена в полусферической выемке, установленной на вогнутой поверхности, в диапазоне изменения (5**Л1)аог„ = 2,1-Ю"4...2,2-10°.

3. Рекомендации по учету влияния продольной кривизны поверхности на теплогидравлические характеристики течения в полусферической выемке.

Практическая ценность. Разработанные на основе опытного исследования научно обоснованные рекомендации позволяют рассчитыватг теплогидравлические характеристики полусферических выемок, выполненных на криволинейных поверхностях теплообменных каналов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов физического моделирования; удовлетворительным согласованием данных, полученных в канонических условиях с общеизвестными данными других авторов; расчетом погрешностей эксперимента.

Личный вклад автора. Соискатель рассчитал и спроектироваг экспериментальную установку, участвовал в ее изготовлении. Он личнс выполнил тестовые опыты, основную программу экспериментов, обработку опытных данных и анализ полученных результатов.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложень и получили одобрение на Всероссийских научно-технических семинара? КВАКИУ им. М.Н.Чистякова в 1995, 1997 и 1998 гг., на Международно? научно - технической конференции в Набережных Челнах в 1996 г., на > Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (г.Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1996 г.), на юбилейной научной и на учно-методической конференции, посвященной 65-летию КГТУ им А.Н.Туполева в 1997 г., на итоговой научной конференции Казанской: научного центра Российской академии наук (г. Казань, КНЦ РАН, 1998г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит и: введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Ра

бота изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, таблиц. Список использованной литературы включает наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

В первой главе проанализировано современное состояние рассматриваемой проблемы и сформулированы задачи исследования. Отмечается, что в авиационном двигателестроении, атомной энергетике и др. успешно внедрены теплообменные поверхности с нанесенными на них сферическими выемками.

Анализ исследований по интенсификации теплообмена сферическими выемками, выполненных Г.И. Кикнадзе, Г.П. Нагогой, Я.П. Чуд-новским, В.И. Тереховым, И.А. Гачечиладзе, В.Г. Олейниковым, В. Н. Афансьевым и др. показал следующее. Большинство публикаций относится к исследованию неглубоких безотрывно обтекаемых выемок. Практически все опубликованные данные указывают на одинаковый прирост гидравлического сопротивления и теплоотдачи по сравнению с гладким каналом во всем исследованном диапазоне изменения геометрических и режимных параметров. Отмечается, что наибольший прирост теплоотдачи имеет место в полусферических выемках (h/d=0,5). Исследование различных влияющих факторов проводились на одиночных полусферических выемках. Эти исследования показывают, что гидродинамика и теплообмен в них зависят от внешней турбулентности потока, продольного градиента давления и других факторов. Оказалось, что при наличии указанных факторов не соблюдается принцип суперпозиции отдельных воздействий. Поэтому требуются экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена при совместном воздействии выемки и соответствующего влияющего фактора.

В первой главе диссертации указывается, что охлаждающие каналы турбинных лопаток и других горячих деталей двигателей и энергетических установок, а также тракты теплообменных аппаратов различного назначения нередко имеют криволинейную форму. В большинстве случаев - это короткие криволинейные каналы, в которых не успевает возникнуть развитое макровихревое течение. В то же время основные признаки криволинейного течения, предопределяемые воздействием центробежных сил, в них присутствуют. Указывается, что гидродинамика и теплообмен около поверхностей с продольной кривизной рассматривались в монографиях Б. П. Устименко, В.К. Щукина, A.A. Халатова с соавторами, П. Брэдшоу с соавторами. Инженерные методы расчета теплоотдачи и трения около таких криволинейных поверхностей можно в первом приближении считать разработанными. Вместе с тем, как отмечается в диссертации, для расчета теплогидравлических характеристик течений на криволинейной поверхности, формованной сферическими выемками, су-

ществующие методы расчета, разработанные для гладких криволинейных поверхностей, непригодны. Необходимы прямые опытные исследования гидродинамики и конвективного теплообмена в сферической выемке, выполненной на вогнутой и выпуклой поверхностях.

Таким образом, для выработки научно обоснованных рекомендаций по расчету интенсификации теплообмена сферическими выемками, выполненными на поверхностях с продольной кривизной, необходимо провести комплексное опытное исследование. Оно включает в себя изучение гидродинамики и теплообмена в одиночной сферической выемке, установленной на криволинейной поверхности с изменяемым значением относительной кривизны.

Во второй главе представлено описание экспериментального стенда, методик проведения эксперимента и обработки опытных данных, а также оценка точности полученных результатов.

Экспериментальное исследование воздействия продольной кривизны поверхности на гидродинамику и теплообмен в полусферической выемке проводилось на стенде, представляющем собой аэродинамическую трубу нагнетательного типа с закрытой рабочей частью. Поток воздуха подавался от центробежного компрессора марки ТК-700, проходил систему воздухоподготовки (успокоительная камера, лемнискатный вход и т.д.) и направлялся в экспериментальный участок. Этот участок (рис. 1) представлял собой плоский канал с размерами поперечного сечения 140 мм х 100 мм. Он состоял из двух секций: прямолинейной 1 и криволинейной 2, выполненной в виде поворота на 90°. Вогнутая поверхность тракта имела радиус 11ООП|=500 мм; выпуклая - 11вып=400 мм. Прямолинейная часть экспериментального участка служила для уменьшения влияния входных условий и для формирования требуемой толщины пограничного слоя. Турбулентный пограничный слой начинал формироваться после турбулизирующей проволочки 3, установленной на расстоянии 10 мм после точки сопряжения лемнискатной криволинейной поверхности входа и плоской поверхности участка 1. Для охвата практически важного диапазона изменения параметра 5 /Л предусмотрен слив пограничного слоя не только на прямолинейной, но и на криволинейной части экспериментального участка. Различные комбинации закрытых и открытых щелей позволяли варьировать величиной 5**Л1. Всего выполнено по три поперечные щели на каждой из двух стенок канала (рис. 1а, б). Щели имели острые кромки и трапециевидное поперечное сечение, сужающееся в направлении проточной части. Для дополнительного увеличения (5 /Я)вьш в области 1-й и 2-й щелей устанавливались поперечно расположенные пластинки. Относительное расстояние хЛ1пл от них до объекта исследования составляло 60 и 100 соответственно.

Модель полусферической выемки устанавливалась на вогнутой или на выпуклой поверхности криволинейной секции опытного участка.

выпуклой (л) и вогнутой (б) кривизны поверхности

050

Рис.2. Схемы объектов исследования: (а) для исследования гидродинамики и (б) для исследования теплоотдачи

Напротив выемки закреплялся координатник для измерения статического Р и полного Р* давления, а также продольных пульсаций скорости по высоте канала как при наличии выемки, так и на исходно гладкой поверхности. Средняя скорость потока измерялась как насадком Пито-Прандтля, так и с помощью термоанемометра 018А-55М. С помощью этой аппаратуры измеряли и степень турбулентности потока.

Объектом исследования являлась модель полусферической выемки. Для газодинамических исследований она выполнена из оргстекла. Для теплообменных - из стали Х18Н10Т. Ее относительная высота Ь/с1=0,5; кромка - острая. На поверхности сферической выемки были приклеены шелковинки, схема размещения которых показана на рис.2,а. В этих же точках измерялись и статические давления. Для этого в модели выемки предусмотрены отверстия 00,4 мм. Всего на поверхности выемки предусмотрено 25 точек отбора статического давления. Модель выемки для теплообменных экспериментов снабжена 62хромель-алюмелевыми термопарами, заделанными заподлицо с поверхностью. Схема их размещения показана на рис.2,б. Метод определения тепловых потоков - градиентный в двумерной постановке. Средние значения коэффициентов теплоотдачи определялись численным интегрированием местных значений а по внутреннему обводу выемки.

Эксперименты проводились при изменении числа Яе, от 1,3-105 до 3,1-105; среднерасходная скорость воздуха в канале составляла \уср = 17,7...42,3 м/с. Температура воздуха Тв и 300 К. Относительная кривизна поверхности изменялась в диапазонах: (б*711)вьт = 5-10'4...7,8-10"3; (5**Я1)вогн= 2,1-10"4... 2,2-Ю'3.

Относительные значения Н/с1 примерно соответствовали средней части профиля охлаждаемых турбинных лопаток. Для наших условий эксперимента они составляли: К8ЫП/<1 = 8; Па01,/с1 = 10.

Числа Б1Сф рассчитывались по скорости измеренной на исходно гладкой поверхности.

Опыты с полусферической выемкой при 5 */Я=0 (при отсутствии кривизны поверхности) проводились на стенде, описанном в работе [4].

В третьей главе приведены результаты тестовых и программных экспериментов по влиянию продольной кривизны поверхности на гидродинамику в полусферической выемке.

Тестовые эксперименты проводились в канале с исходно гладкими поверхностями проточной части канала (полусферическая выемка не устанавливалась). В этих экспериментах было показано, что в исследуемом канале отсутствуют вторичные течения около боковых (плоских) его стенок. Это подтверждено ориентацией шелковинок, наклеенных на боковые поверхности. Любая из них имела касательное направление по отношению к окружности, на которой они располагались. Последнее согласуется с известными публикациями, указывающими, что при турбулент-

ном течении вторичные макровихри образуются в каналах с большими значениями x/Dr.

Тестовые эксперименты подтвердили, что на всех режимах по числу Рейнольдса в области потенциального течения соблюдается закон постоянства циркуляции: rwx = Const, а степень турбулентности соответствует "канальной" (Ти„ « 4 ± 0,5%). На вогнутой поверхности профиль скорости в пограничном слое более заполнен, чем на выпуклой.

Расчет формпараметра Н показал, что его зависимость в относительной форме Н/Н0 от относительной кривизны поверхности 5/R удовлетворительно соответствует результатам экспериментов других авторов (рис.3).

Как показали опыты по определению § /R, при варьировании количеством щелей для слива пограничного слоя от 0 до 3, относительная кривизна поверхности 5*7r изменялась в диапазоне (5"/R)Bbin= =5-10"4... 4,3-10'3; (8"/R)BO1=2,M0'4...2,2-10"3. За счет постановки пластинчатых выступов значение (5"/R)Bbm было увеличено до 7,8-10"3.

Таким образом, результаты тестовых экспериментов в канале с исходно гладкими поверхностями позволили перейти к программным гидродинамическим экспериментам.

Визуализационные опыты с помощью прикрепленных к поверхности выемки шелковинок показали, что во всем исследованном диапазоне изменения 5**/R независимо от знака кривизны поверхности сохраняется известный тип отрывного циркуляционного течения, включая смерчеобразную вихревую структуру. Как с помощью шелковинок, так и по дискретному изменению уровня водяного столба в U-образном манометре, присоединенном к приемнику статического давления в эпицентре вихря, установлено, что временной интервал между "переключениями" и амплитуда колебаний уровня водяного столба не зависят от относительной кривизны поверхности. Отметим, что время нахождения смерчеоб-разной структуры в одном из стационарных состояний значительно превосходило временной интервал «переключения».

Анализ проведенных опытов показал, что для данных условий эксперимента влияние числа Рейнольдса на гидродинамические параметры в сферической выемке, представленные в относительном виде (например Cp/Cp6/R.o) отсутствует. Последнее согласуется с исследованиями других авторов, где такого рода автомодельность по числу Re соблюдается по крайней мере при Red>2,2-104. В нашем случае Red(nin>7-104. В связи с этим анализ опытных данных выполнялся на основе симплекса относительной кривизны поверхности 5"/R, а не числа Гертлера Go".

Влияние продольной кривизны поверхности на коэффициент давления в выемке по результатам проведенных опытов для выпуклой и вогнутой поверхностей неодинаково. С одной стороны как положительная, так и отрицательная кривизна поверхности приводят к большему, чем при

Рис.3. Влияние продольной кривизны поверхности на относительное значение формпараметра Н/Но: ( • -Schubauer G.B., Klebanoff P.S.; Т, О -Meroney R.N.; -Honami S., Arigal., AbeT.; • - Patel V.C.); ф 0 - данные автоса

Рис. 5. Распределение относительных чначе-нин степени турбулентности потока по глубине полусферической выемки, установленной на выпуклой и вогнутой поверхностях

Рнс.4. Влияние продольной кривизны поверхности й /Я на относительный коэффициент давления Ср/Срн в донной точке выемки; светлые чначки - вогнутая поверхность, темные - выпуклая

Рис. 6. Распределение местных коэффициентов теплоотдачи в продольном меридиональном сечении полусферической выемки: 1-данпые B.C. Кесарева, Л.П. Козлова; 2 -данные K.M. Боду-нова; 3 - данные автора

5*711=0 разрежению в выемке на всех ее участках. Однако при установке выемки на выпуклой поверхности относительный коэффициент давления Срши во всем диапазоне изменения (5 /П)шг, незначительно превышает вариант обтекания выемки при 5*711=0. Несколько большее разрежение в выемке на выпуклой поверхности по сравнению с 5 /11=0 находится в рамках существующей закономерности р = Г (г) в криволинейном потоке. В то же время при обтекании полусферической выемки, установленной на вогнутой поверхности, величина Ср,Югн в несколько раз больше значения Срз/к-о при стандартном варианте обтекания выемки (рис.4). Можно констатировать, что установленная на вогнутой поверхности полусферическая выемка дает значительный эжектирующий эффект, возрастающий по мере увеличения б"/!*.. Тогда как в соответствии с изменением статического давления по радиусу г разрежение в выемке в этом случае должно быть менее значительным.

Траверсирование потока в выемке показывает, что уровень относительных скоростей \у,шв/\ух в возвратном течении не зависит от знака и величины продольной кривизны исходно гладкой поверхности.

Отметим, что традиционное определение коэффициента давления по измеренному статическому давлению перед выемкой в данном случае затруднительно, т.к. было обнаружено обратное влияние выемки на это давление в криволинейном потоке. Здесь при расчете Ср использовалось значение рх на исходно гладкой поверхности.

Как показали результаты экспериментов (рис. 5), качественно распределение относительных значений уровня турбулентности по глубине полусферической выемки практически одинаково для выпуклой и вогнутой поверхностей. В то же время количественно они различаются. В выемке, установленной на выпуклой поверхности, значение относительного уровня турбулентности ниже, чем на вогнутой. Такое изменение величины Ти/Ти^о в полусферической выемке при воздействии выпуклой и вогнутой кривизны поверхности соответствует физическим представлениям о воздействии центробежных сил на гидродинамические параметры течения и логично объясняет результаты исследования теплоотдачи в выемке, обсуждаемые в четвертой главе диссертации.

В четвертой главе описываются тестовые теплообменные эксперименты,а также результаты опытного исследования местной и средней теплоотдачи на поверхности полусферической выемки, установленной на выпуклой или вогнутой поверхности криволинейного канала. Данные сравниваются с результатами исследования теплоотдачи в выемке, установленной на плоской поверхности.

Сопоставление распределения относительных коэффициентов теплоотдачи в продольном меридианальном сечении полусферической выемки на плоской пластине показало (рис. 6), что стенд позволяет полу-

чать надежные данные по теплоотдаче. Кроме этого, из сравнительнь оценок следует, что при 8**/R = 0 и Тц» ~ 4% тепловой поток от повер; ности полусферической выемки примерно в 1,25 раза превышает теши вой поток от диска диаметром d. Это соответствует результатам исслед* ваний В.С. Кесарева, А.П. Козлова.

Как показали результаты программных экспериментов (рис.7), х рактер распределения местных коэффициентов теплоотдачи в полусф рической выемке, установленной на выпуклой или вогнутой поверхност качественно не отличается от случая установки ее на плоской повер: ности. Однако количественная, разница есть. Так, теплоотдача в выемк установленной на выпуклой поверхности ниже, чем на плоской, а на в< гнутой - выше.

Такая же тенденция имеет место и по средней теплоотдаче (рис.8 Из этого рисунка видно, что как для выпуклой, так и для вогнутой m верхности имеет место "турбулентный наклон" аппроксимирующих Л1 ний Stc<¡>.R = f (Red). Кроме этого можно констатировать, что в исследи ванном диапазоне изменения 6 /R опытные точки по относительной кр] визне на расслаиваются. Как следует из рис.8, во всем диапазоне изм' нения числа Re<¡ для выпуклой поверхности (St C(j,.0bln/St а;,0)я=о ~ 0,8; д;

вогнутой (StcjBon/StcjoW« 1,3.

Полученный результат влияния продольной кривизны повер: ности качественно соответствует тенденциям изменения теплоотдачи i криволинейной исходно гладкой поверхности по сравнению с плоскс поверхностью.

Количественно влияние продольной кривизны поверхности соп< ставлялось с наиболее надежными рекомендациями по влиянию продол: ной кривизны поверхности на теплоотдачу:

- для выпуклой поверхности использовалось соотношение А./ Халатова с соавторами:

4'l=(St„/Ste)ta-=[l + 10J(5-/R)p; (1)

- для вогнутой поверхности - соотношение Э.П. Волчкова, B.I Терехова:

^l=(StBOrH/St0)Re.. =[l + l,8-103|S" /R¡j°'162. (2)

При этом учитывалось, что (St / St0 )R¡¡ = (St / St0 )°'e» .

Использование соотношений (1) и (2) для анализа влияния пр< дольной кривизны поверхности на осредненную в пределах полусфер! ческой выемки теплоотдачу обусловлено следующими соображениям! Во-первых, размеры выемки по крайней мере на порядок меньше разм< ров обтекаемой поверхности; во-вторых, значения 5*7r в данном иссл! довании определялись по параметрам исходно гладкой поверхности.

Рис.7. Распределение местных чисел Стантона в продольном мери-янанальном сечении полусферической выемки при 11ег к 2,2-105; (5'*/Я)№Ш=5• 10"4... 7-10"3: (5"Ж)В0Г= =2,1-10~1...2.2-10""'; темные значки -выпуклая поверхность, светлые -вогнутая

Рис. 8. Средняя теплоотдача в полусферической выемке, установленной на выпуклой и вогнутой поверхностях; условия проведения опытов см. на рис.7; Яег * 1,3-105...3,1-Ю5; заштрихованные области - расчет' по формулам (1), (2) для исследованного диапазона изменения 8**/11

Рис. 9. Влияние продольной кривизны поверхности на среднюю теплоотдачу в полусферической выемке: 1- расчет по формуле A.A. Халатова с соавторами ; 2 - расчет по формуле Э.П. Волчкова, В. И. Терехова

Рис. 10. Обобщение опытных данных по влиянию продольной кривизны поверхности на среднюю теплоотдачу в полусферической , выемке; темные значки - выпуклая поверхность; светлые - вогнутая

Результаты расчетов по формулам (1) и (2) для исследованногс диапазона изменения 5"/К нанесены на рис.8 в виде заштрихованных областей. Как видно, и на выпуклой и на вогнутой поверхности влияние продольной кривизны на теплоотдачу в выемке более интенсивное, че\ на исходно гладкой поверхности.

Для учета этого фактора введены дополнительные множители-поправки Ч/ТСф.Вы.1 и ¥тсф,ога , учитывающие отличия воздействия продольной кривизны поверхности в выемке и без нее. Эти поправки для наших условий эксперимента составляют:

^ Сф.ВЫП 555 0,9 ; сфвогн ^ (3)

С учетом поправок (3) влияние продольной кривизны поверхности на теплоотдачу в полусферической выемке можно свести к соотношениям (1) и (2), что иллюстрируется графиком на рис.9.

Таким образом, средняя теплоотдача в полусферической выемке установленной на криволинейной поверхности, может быть рассчитан; по следующим соотношениям:

- для выпуклой поверхности :

сф.вып = ТТВЬ1П • Ч/Т«ф.иш • Б^фо ; (4)

- для вогнутой поверхности :

сф.вога = 4/Тв0ГИ • ЧуТСфВ0ГН • Бифо . (5)

Здесь ЧРТВЫП , ^сф.вып. УТвол, , ^Тсф.вогн рассчитываются по соотношениям (1) -г (3); сф0 - среднее число Стантона, характеризующее среднюю теплоотдачу в одиночной полусферической выемке на плоско! поверхности.

Отметим, что при 8"Л1->0 эффекты кривизны обтекаемой поверхности должны исчезать. Из этого следует, что в этом случае Ч7 Сф Я->1. Е первом приближении можно принять, что в неисследованном диапазоне малой кривизны поверхности при (5 Л1)вып = 0...5-10"4; (5'7К)В0ГН= =0...2,ы0'4 закономерности изменения Ч^тСф.вып от 1 до 0,9 и ТтСф.вогн от 1 до 1,2-линейные.

Формулы (4) и (5) представляют собой соотношения для расчет; средней теплоотдачи в единичной полусферической выемке с учето!^ влияния продольной кривизны поверхности. Поскольку подобных исследований ранее не проводилось, то в первом приближении соотношенш (4) и (5) можно рекомендовать и для системы выемок, причем во все.\ диапазоне, где имеет место "отрывной " характер их обтекания (ЬМ = 0,2...0,5). При этом влияние плотности расположения выемок и их относительной глубины учитывается по известным рекомендациям.

На рис.10 показаны результаты обобщения опытных данных пс средней теплоотдаче в полусферической выемке, установленной на выпуклой или вогнутой поверхности. Как видно, для расчета средней тепло-

цачи в этих условиях необходимо знать теплоотдачу в выемке на оской поверхности, а также использовать соотношения (1) -г (3).

В заключение четвертой главы диссертации приводятся результа-расчета теплоотдачи на выпуклой и вогнутой внутренних поверхно-к сопловой турбинной лопатки с шахматно расположенными полусфе-ческими выемками. Оценочные результаты показали, что при темпера-ре газа Т*г = 1500 К, температуре охлаждающего воздуха Т охл = 800 К, учет влияния продольной кривизны поверхности в сопловой лопатке с лусферическими выемками приводит к завышению температуры спин-примерно на 40 К и к занижению температуры корыта в среднем на К.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Проведены опытные исследования влияния продольной кривизны верхности на теплообмен и гидродинамику в полусферической выемке, соторых продольная кривизна исходно гладкой поверхности изменялась шапазоне: (б'*Л1)вып= 5-10'4...7,8-10"3; (5"/11)воп1 = 2,1-10-4...2,2-10-3.

В результате получено следующее:

1. Выявлено, что при обтекании полусферической выемки, устано-енной на выпуклой поверхности, средняя теплоотдача в ней меньше, м на плоской поверхности, а на вогнутой - выше. Имеет место каче-венное соответствие с влиянием продольной кривизны на исходно адких поверхностях.

2. Обнаружено, что количественно влияние продольной кривизны <верхности на теплоотдачу в полусферической выемке более интенсив->е, чем на исходно гладкой поверхности; оно может быть учтено допол-[■гельными множителями-поправками: хРтСф.Вып »0,9 ; 1РтСф.В0П1 »1,2.

3. Получено, что в случае установки полусферической выемки на шуклой поверхности степень турбулентности потока в ней ниже, чем на гнутой.

4. Выявлено, что процесс образования смерчеобразной вихревой руктуры и возвратного циркуляционного течения имеет место во всем следованном диапазоне изменения продольной кривизны поверхности.

5. Обнаружено, что амплитудно-частотные характеристики ереключения" эпицентров смерчеобразных вихревых структур и отно-тельная высота газодинамического тела не зависят от знака и величины юдольной кривизны поверхности.

6. Получено, что коэффициент давления в выемке увеличивается > абсолютной величине как на вогнутой, так и на выпуклой поверхности, эичем на вогнутой поверхности имеет место более значительный эжек-:рующий эффект.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

х, х' - продольные координаты, отсчитываемые соответственно с турбулизирующей проволочки и передней кромки полусферической вь емки; <1, И - диаметр и глубина выемки; Нк - высота канала; Я- радиус прс дольной кривизны поверхности проточной части канала; г - текущий р; диус в криволинейном потоке; 5, 5 , 8 - толщина пограничного слоя, вь теснения и потери импульса соответственно; Н - формпараметр; 11ег - чи< ло Рейнольдса, определенное по среднерасходной скорости и эквивалент ному гидравлическому диаметру канала; число Не с характерны размером с!; Об"- число Гертлера; а, а - местный и средний коэффищ енты теплоотдачи; БС, - местное и среднее числа Стантона; Ч'1 вып ХРТВ0П1; Ч/Тя- относительные функции теплообмена, учитывающие влш ние продольной кривизны исходно гладкой поверхности; ЧуТСф (Ш гРТсф.вогн, *РТсф.я - множители-поправки, учитывающие дополнительнс влияние продольной кривизны поверхности на теплоотдачу в полусфер! ческой выемке.

Индексы: 0- при обтекании плоской поверхности; ос - на внешне границе пограничного слоя; г - гидравлический; с1- определено по дш метру сферической выемки; сф - сферический.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Агачев P.C., Буланов О.Ю., Козлов А.П., Щукин A.B. К исследс ванию влияния на теплообмен и гидродинамику продольной кривизн: поверхности с полусферическими выемками. // Научно техническая ког ференция по итогам работы за 1992-1993 гг. НИЧ-50 лет. 4-5 апреля 199 г. КАИ, 1994г. Тезисы докл.

2. Агачев P.C., Буланов О.Ю., Козлов А.П., Щукин A.B. К исследс ванию влияния на теплообмен и гидродинамику продольной кривизн] поверхности с полусферическими выемками // Сб. тез. докл. на научнс техническом семинаре "Внутрикамерные процессы в энергетически установках, струйная акустика, диагностика". Казань: Казанское высше артиллерийское командно-инженерное училище им. марцгал М.Н.Чистякова, 1994. С.35-36.

3. Агачев P.C., Дезидерьев С.Г., Янковская М.В., Буланов О.Ю Щукин A.B. К исследованию теплогидравлических характеристик пс верхностей со сферическими выемками в криволинейных и закрученны потоках. // Сб.тез.докл. на 7-м научно-техническом семинар "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная аку стика, диагностика". Казань: Казанское высшее артиллерийское комащ но-инженерное училище им. маршала М.Н.Чистякова, 1995. С.41-42.

4. Агачев P.C., С.Г.Дезидерьев, Талантов В.А., Щукин A.B., Була-ов О.Ю., Гидродинамика и теплопередача в плоском щелевом канале с илиндрическими выемками н выступами // Межвузовский сборник ГТУ. Казань. 1995.С.8-11.

5. Буланов О.Ю., Агачев Р.С, Дезидерьев С.Г., Щукин A.B. Уплот-ение радиального зазора в турбине на основе гидродинамических эф-1ектов от сферической выемки // 22 Гагаринские чтения Сб. тез.докл. 1олодежной научной конференции. 2-6 апреля 4.6. Москва. 1996. С.130.

6. Щукин A.B., Агачев P.C., Буланов О.Ю., Дезидерьев С.Г., Яновская М.В. Теплоперенос около поверхности, формованной сфериче-кими выемками при сложных граничных условиях.// Сб.тез.докл. Меж-ународной научн.-техн.конф."Молодая наука - новому тысячелетию", [абережные Челны. КамГШ. 1996. с. 159.

7. Буланов О.Ю., Дезидерьев С.Г., Агачев P.C., Щукин A.B., Бочан l.P. Конвективный теплообмен при обтекании вогнутой поверхности фернческой выемки // Сб.тез.докл. на 8-м научно-техническом семинаре Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная аку-гика, диагностика". Казань: Казанское высшее артиллерийское команд-о-инженерное училище им. маршала М.Н.Чистякова, 1996. с. 112-113.

8. Жуков Д.В., Щукин A.B., Буланов О.Ю. Гидродинамические па-аметры в выемке, выполненной на криволинейной поверхности. Сб.тез.докл. Всероссийской студенческой научной конференции Королевские чтения" 1997г.

9. Буланов О.Ю., Щукин A.B., Агачев P.C., Жуков Д.В. Гидроди-амика в сферической выемке на криволинейной поверхности при раз-ичной толщине пограничного слоя. // Сб.тез.докл. на 9-м научно-ехническом семинаре "Внутрикамерные процессы в энергетических становках, струйная акустика, диагностика". Казань: Казанское высшее ртиллерийское командно-инженерное училище им. маршала i.H.Чистякова, 1997. с. 7-8.

10. Буланов О.Ю., Щукин A.B., Агачев P.C., Козлов А.П., Гидро-инамика в сферической выемке на поверхности с продольной кривизной ' Сб. тез.докл. "Актуальные проблемы научных исследований и высшего рофессионального образования" (Юбилейная конференция КГТУ им. i.H. Туполева) 1997 г.

11. Буланов О.Ю. Гидродинамика и теплообмен в полусфери-еекой выемке, установленной на криволинейной поверхности. Казань, 998. 20с.(Препринт/Казан.гос.технич.ун-т № 98П6).

12. Буланов О.Ю., Щукин A.B. Дезидерьев С.Г. и др. Конвектив-ый теплообмен в полусферической выемке, установленной на выпуклой оверхности // Сб. тез. докл. на 10-м научно - техническом семинаре Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная аку-