Возможности градиентных датчиков теплового потока на основе висмута в теплотехническом эксперименте

Митяков, Владимир Юрьевич

Возможности градиентных датчиков теплового потока на основе висмута в теплотехническом эксперименте тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Митяков, Владимир Юрьевич АВТОР

доктора технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Автореферат диссертации на тему "Возможности градиентных датчиков теплового потока на основе висмута в теплотехническом эксперименте"

ВОЗМОЖНОСТИ ГРАДИЕНТНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА НА ОСНОВЕ ВИСМУТА В ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Специальность 01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» на кафедре «Теоретические основы геплогехни-ки»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Сапожников Сергей Захарович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Арефьев Константин Максимович

доктор технических наук, профессор ЗеЙ1 арник Юрий Альбертович

доктор технических наук, профессор Терехов Виктор Иванович

Ведущая организация ГОУ ВПО «Балтийский государственный

технический университет» (Воснмсх)

Защи i а диссертации состоится « J » (jUá-fiT^j 2005 юда вна заседании диссертационного совета Д 212 229 06 в IОУ ВПО «Санкт-

Петербургский государственный нолтехнический университет» по адресу 195251^. Санкт-Петербург, ул Политехническая, д 29, главное здание, ауд

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СПбГПУ»

Авторефераг разослан

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Н Н Кортиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный натурный теплотехнический эксперимент составляет, наряду с экспериментом численным, основу теплотехнических исследований; он широко используется в промышленности и иных областях человеческой деятельности. Развитие теории, методологии и техники натурного эксперимента связано, в первую очередь, с успехами цифровой технологии обработки сигнала. При этом визуализацию, архивирование, учет индивидуальных градуировок, математическую обработку результатов обеспечивает именно преобразовательная техника, а датчики измеряемых величин остались в основном прежними.

Разрыв в техническом уровне между датчиками и преобразующим их сигналы цифровым трактом постоянно возрастает. В то же время на пути развития цифровых технологий остаются следующие препятствия:

1. Многие параметры (коэффициент теплоотдачи, скорость движения среды, плотность теплового потока и т.д.) оценивают преимущественно расчетным путем, причем точность расчета не всегда удовлетворительна.

2. Крайне редко один датчик позволяет измерить несколько величин (скорость, температуру, тепловой поток и т. д.).

3. Число каналов связи ограничено (особенно на транспорте, в космической технике, в энергетике), поэтому важно передавать по каждому из них максимум информации.

Тепловой поток - средний или местный - измеряют значительно реже, чем температуру. Это, в первую очередь, связано с отсутствием или редкостью надежных, дешевых, а потому распространенных и привлекательных для экспериментатора датчиков теплового потока.

Предметом наших исследований стали датчики теплового потока, впервые предложенные и сконструированные для демонстрационных физических экспериментов Н.П. Дивиным. Помимо задач теплометрии, эти датчики (названные впоследствии градиентными) удалось использовать для определения температуры, расхода жидкости, касательных напряжений трения, теплофизических характеристик материалов, степени черноты поверхностей, параметров электрических цепей.

Градиентные датчики теплового потока (ГДТП) существенно превосходят по быстродействию почти все аналоги, и потому являются удобным, а иногда единственным инструментом, как в измерении нестационарных тепловых потоков, так и при определении других нестационарных параметров.

Цель и задачи работы. Предлагается сделать ГДТП и устройства на его основе многофункциональными измерительными преобразователями для широкого круга теплотехнических экспериментов. Основными задачами при этом являются:

1. Анализ возможностей ГДТП в сравнении с лучшими современными аналогами.

2. Исследование динамических характеристик ГДТП.

3. Тестирование ГДТП в рамках классических задач теплообмена и определение с их помощью частотных характеристик тепловых процессов.

4. Использование ГДТП для создания полезных моделей и приборов, а также в рамках крупномасштабных экспериментов.

5. Построение расчетных схем, создание макетов и действующих образцов аппаратуры для использования ГДТП в нетрадиционном качестве - для измерения температуры, расхода жидкости, касательных напряжений трения и т.п.

Предметом исследования являются ГДТП, выполненные на основе монокристаллического анизотропного висмута чистоты 99,99%, а также датчики, измерительные зонды и другая аппаратура, в которых ГДТП являются неотъемлемой частью. Кроме того, предметом исследования являются физические процессы, параметры которых определены (в ряде случаев впервые) с помощью ГДТП и устройств на их основе.

Методы исследования включают натурный теплотехнический и теплофи-зический эксперимент с использованием ГДТП, аналитические расчеты и численное моделирование тепловых процессов. В работе использованы современные цифровые технологии обработки сигналов ГДТП, а также некоторые вспомогательные приемы из смежных областей (метрологии, теории электрических измерений, цифровой схемотехники и т.д.).

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые комплексно исследованы динамические характеристики ГДТП и впервые зарегистрированы пульсационные характеристики теплового потока в ряде экспериментов при вынужденном конвективном теплообмене вблизи изотермической поверхности, на вертикальной пластине с электрообогревом, в ударных трубах, на огневых поверхностях камеры сгорания дизельных двигателей и др. Предложены новые пути использования ГДТП для определения температуры, расхода, касательных напряжений трения, теплофизических и радиационных характеристик, а также параметров электрических цепей.

Практическая ценность работы определяется как тем, что I ДТП позволяют существенно расширить возможности нестационарной теплометрии, так и тем, что использование ГДТП и аппаратуры на их основе открывает путь к комплексному и «экономному» (по числу каналов связи) теплотехническому и иному эксперименту. Представляют самостоятельную ценность конструкции датчиков и приборов, созданных при выполнении работы и апробированных в ходе экспериментов, включая крупномасштабные. На защиту выносятся:

1. Результаты исследования динамических характеристик ГДТП: постоянной времени, независимой от толщины датчика, а также модели тепловых процессов в ГДТП при нестационарных тепловых воздействиях.

2. Данные о средних и местных коэффициентах теплоотдачи и плотностях теплового потока при теплообмене на поверхности поперечно обтекаемого ци-

линдра (гладкой и с турбулизаторами), облуненных поверхностях, траншеях, кавернах, протяженных вертикальных пластинах, поверхностях, подвергающихся радиационному нагреву, поверхностях камер сгорания дизельного двигателя и ударных труб, а также установленные в ходе этих исследований качественные показатели (интенсификация теплообмена, наличие застойных зон, характер пульсаций теплового потока и т.п.).

3. Конструкция, физические модели, методы градуировки и результаты испытаний устройств на основе ГДТП: чувствительного элемента для регистрации теплового излучения, схем измерения температуры без внешнего источника электрического тока, устройства для измерения касательных напряжений трения, корреляционного расходомера и индикатора движения жидкости.

4. Расчетные схемы и оценки возможностей применения ГДТП для определения теплофизических характеристик материалов, степени черноты поверхностей, а также параметров электрических цепей.

Достоверность результатов подтверждается их соответствием данным специальной и справочной литературы, использованием стандартной и аттестованной аппаратуры, проведением опытов в различных условиях и участием в обсуждении высококвалифицированных специалистов.

Личный вклад диссертанта выразился в постановке основных задач исследования, выработке методологии, руководстве экспериментом и участием, как в его проведении, так и в обсуждении результатов, в формулировке и обобщении полученных данных.

Апробация работы. Отдельные части и работа в целом докладывались и обсуждались на:

- семинаре Петербургского отделения международной энергетической академии ядерного общества Санкт-Петербурга «Эффективные системы теплоснабжения в муниципальном и индивидуальном строительстве». Санкт-Петербург, 1997г.;

- 11 международной конференции по теплообмену, Кюнджу, Корея, 1998 г.;

- Второй Российской национальной конференции по тепломассообмену, Москва, 1998г.;

- XII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», Москва, 1999 г.;

- научном семинаре под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Физико-технические проблемы энергетики», Москва, ИВТ РАН, 1999 г.;

- научном семинаре в ОАО НПО «ЦКТИ им. И.И. Ползунова», Санкт-Петербург, 2000 г.;

- 4-ом Минском международном форуме по тепломассообмену. Минск, 2000 г;

- 3 европейской конференции по термическим исследованиям. Хайдельберг, Германия. 2000;

- XIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством

академика РАН А.И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». Санкт-Петербург, 2001 г.;

- XL Крыловских чтениях. Санкт-Петербург, 2001 г.;

- 5 Международной конференции по экспериментальному теплообмену, механике жидкости и термодинамике. Салоники, Греция. 2001 г.;

- XXVI Сибирском теплофизическом семинаре. Новосибирск, 2002 г.;

- Третьей Российской национальной конференции по тепломассообмену. Москва, 2002 г.;

- XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». Рыбинск, 2003 г.;

- научных семинарах кафедры теоретических основ теплотехники ГОУ ВПО «СПбГПУ», 2000, 2003,2004 гг.;

- выездном семинаре Национального комитета РАН по тепломассообмену под руководством академика РАН А.И. Леонтьева по вопросам измерений в теплофизике. Caнкт-Пeтepбypг, I ОУ ВПО «СПбГПУ», 2004 г.;

- XXVII Сибирском теплофизическом семинаре. Новосибирск, 2004 г.;

- Международной конференции «Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений». Москва, 2004 г.;

- 43 AIAA аэрокосмический семинар и выставка. Рено, США. 2005 г ;

Публикации. Общее количество работ, опубликованных по теме диссертации - 29, в том числе 1 монография, 9 статей в научных журналах, 16 докладов в трудах российских и международных конференций, 2 - в сборниках научных трудов; тезисов докладов - 1.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, пяти глав, заключения и списка использованной литературы из 169 наименований. Общий объем диссертации - 239 с, включая 129 рисунков и 3 хаблицы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы, дана общая характеристика рабош. Формулируются цели исследования, приводится краткое изложение содержания диссертации.

Глава 1 включает обзор датчиков теплового потока типа вспомогательной стенки, указывает место ГДТП среди аналогов, определяет связи в системе «уровень сигнала - ГДТП - аппаратура» и содержит сведения о современном мировом парке датчиков теплового потока.

Измерение теплового потока (теплометрия) объединяет весьма широкий спектр методов, включающий калориметрию, измерение джоуль-ленцевых эффектов, тепловыделений от внутренних тепловых источников и др.

Для большей определенности сузим обсуждаемую тему:

1. Поведем речь об измерении местной плотности теплового потока.

2. Предположим, что в зоне измерений расположено постороннее тело - датчик теплового потока (ДТП) типа вспомогательной стенки.

Это - элемент пластины, цилиндрической, сферической или иной оболочки, расположенной меньшим размером нормально к изотермическим поверхностям - либо на поверхности тела, либо внутри него. Большинство ДТП этого типа представляют собой пластины, на поверхностях которых расположены спаи дифференциальной термопары - «обычной» или многоспайной батареи («гипертермопары»), включающей десятки, сотни, а иногда и гысячи спаев (рис. 1, а). Под действием теплового потока на поверхностях пластины возникает разность температур, и дифференциальная термопара генерирует сигнал, пропорциональный этой разности. Здесь реализуется продольный эффект Зеебека сигнал ДТП пропорционален пе-

fit

——

11111!

■0-

а)

б)

Рис. 1. ДТП продольного (а) И поперечного (б) ТИПОВ репаду температур в направлении вектора теплового потока Ц. Этот датчик мы назвали ДТП продольного типа

Существуют, однако, и принципиально иные ДТП типа вспомогательной стенки (рис. 1, б); они выполнены из материалов с анизотропией теплопроводности и коэффициентов термо-э.д.с. В сечениях датчика, нормальных вектору теплового потока, возникает разность температур и генерируется пропорциональная этой разности термо-э.д.с. Е± . Здесь проявляется менее известный поперечный эффект Зеебека. Датчики из анизотропных материалов мы отнесли к ДТП поперечного типа. Поскольку, на основании закона Фурье, тепловой поток пропорционален градиенту температуры, в настоящей работе предложен термин «градиентные датчики теплового потока» (ГДТП).

Действие ГДТП основано на возникновении поперечной компоненты электрического поля в кристалле с анизотропными теплопроводностью и коэффициентом термо-э.д.с. при прохождении теплового потока в направлении, не совпадающем с главными осями кристалла.

Исходным материалом для ГДТП служат параллелепипеды, вырезанные из кристалла под определенным, близким к оптимальному, углом их называют анизотропными термоэлементами (АТЭ). На рис. 2 показано, что угол 0 не совпадает с главными кристаллографическими осями

Поскольку АТЭ обладает анизотропией теплопроводности, вектор теплового потока во всех сечениях, кроме плоскости 2=0, будет отклоняться от оси z. Это означает, что разность температур возникает не только в направлении оси

z, но и в направлении оси х, вдоль которой возникает термо-э.д.с. Ех, которая пропорциональна градиенту оТ/сг, то есть, на основании закона Фурье, плотности теплового потока

Е.

(£зз — е 11) sin 0 cos в ■ Fq. vV 33 sin20 + ^2i

i cos Q-b

где Бц, Е33 - коэффициенты термо-э д.с. в направлении главных осей С\ И С3, соответственно; Хп, Х33 - составляющие тензора теплопроводности в тех же направлениях; F -площадь АТЭ в плане.

ГДТП, применяемые в настоящей работе, впервые созданы ^П. Дивиным. В их кон-Рис. 2 Анизотропный термоэлемент (АТЭ): струкции использованы анизо-- габариты; - кристаллографи- тропные монокристаллы вис-

ческие оси мута чистоты 99,99% Висмут

относится к веществам с ярко выраженной анизотропией физических свойств, его монокристаллы обладают анизотропией теплопроводности и коэффициентов дифференциальной термо-э.д.с. ГДТП из висмута имеют вольт-ваттную чувствительность So=5... 60 м В/Вт, постоянную времени 10\.Л05 диапазон их рабочих температур - от 20 до 544 К (верхний предел соответствует точке плавления висмута).

На рис. 3 изображен батарейный ГДТП, включающий АТЭ 1 из висмута. «Зеркальное» чередование тригональных плоскостей в двух соседних АТЭ обеспечивает суммирование возникающих в них термо-э.д.с. Батарею обычно

Рис. 3. Схема (а) и общий вид (б) ГДТП конструкции Н.П. Дивина (шкала в мм). Цифрами обозначены: 1 - АТЭ; 2 - подложка из слюды; 3 - спаи из чистого висмута; 4 - токовыводы; 5 - лавсановые прокладки

So, мВт/Вт

IQ"9 lO"7

10" 10' Тпип, С

f,°C 600 400 200

-273

F, мм 1000 lOOj

loi

а)

Ей

1 23456789 б)

IVX -== J-

00==— ><>■—__

щ Г

о'. LI

1 2 3 4 5 6 7 8 9 в)

Рис. 4. Характеристики ДТП по чувствительности, быстродействию (а), по температурному диапазону (б), по площади (в). Цифрами обозначены 1 - ГДТП на основе висмута; 2 - датчик ИТТФ HAH Украины; 3 - датчик фирмы «Vatell» (США); 4 - датчик фирмы Wuntronic» (ФРГ), 5 - датчик фирмы «Captée» (Франция); 6 - датчик фирмы «Hukseflux» (Нидерланды); 7 - датчик лаборатории физической электроники (Швейцария); 8 - датчик фирмы «Newport» (США); 9 - датчик фирмы «TNO» (Голландия); 10 - датчик ALTP фирмы «FORTECH HTS ОшЬН»(ФРГ)

монтируют на подложке 2 из слюды Друг от друга АТЭ изолированы тонкими (5 мкм) прокладками, например, из лавсана 5 и удерживаются на подложке 2 клеем (БФ-2 или аналогичным по вязкости) Спаи из чистого висмута 3 соединяют термоэлементы в последовательный контур Крайние термоэлементы снабжены то-ковыводами 4 Батарейные ГДТП имеют размеры в плане от 1x1 мм до 10x10 мм и более, минимальная их толщина к настоящему времени снижена до

0.1.мм, и создание более тонких датчиков наталкивается на существенные технологические сложности

ГДТП градуируют абсолютным методом, по джоуль-ленцеву тепловому потоку. Градуировка возможна вплоть до точки плавления висмута Линейность градуировочной характеристики сохраняется при внешнем давлении до 30 МПа; изменение чувствительности ГДТП в зависимости от температуры не превысило 3%.

К основным параметрам, определяющим технические возможности ДТП и, как следствие, их привлекательность для потребителей, относятся:

1. вольт-ваттная чувствительность,

2. быстродействие;

3 диапазон рабочих температур;

4. диапазон размеров в плане.

Кроме того, на технический уровень ДТП влияют стойкость к агрессивным средам, механическая прочность, возможность массового производства и т.д. Сопоставление характеристик современных ДТП с парамеграми ГДТП из висмута представлено на рис. 4, а-в.

Как следует из рис. 4, а, вольт-ваттная чувствительность ГДТП на основе висмута заметно (на 3...4 порядка) уступает лишь опытному образцу, созданному в лаборатории промышленной электроники (Швейцария). Однако швейцарский аналог имеет жестко заданные размеры платы (35x35 мм), что заметно сужает круг возможного применения. Датчики ИТТФ НАЛ Украины чувствительнее ГДТП примерно на порядок; применение современных цифровых преобразователей (см. ниже) делает такое различие несущественным.

Из рис. 4, б видно, что, кроме ГДТП, лишь датчик французской фирмы «Captec» способен работать при криогенных температурах. В то же время датчик американской фирмы «Vatell» значительно превосходит ГДТП из висмута по верхнему температурному уровню.

Из рис. 4, в следует, что площади современных ДТП не опускаются ниже 4 мм . Для ГДТП это значение удается снизить в 4... 5 раз; в то же время максимальная площадь ограничена лишь трудоемкостью и стоимостью изготовления.

Из рис. 4, в следует, что площади современных ДШ не опускаются ниже 4 мм2. Для ГДТП это значение удается снизить в 4...5 раз; в то же время максимальная площадь ограничена лишь трудоемкостью и стоимостью изготовления.

В главе 1 обсуждаются также связи размеров ГДТП, предполагаемой плотности измеряемого теплового потока q и разрядности цифровой аппаратуры Уровень регистрируемого сигнала должен на несколько порядков превысить уровень собственных шумов ГДТП £* (эта величина приближается к 10 В и близка к уровню тепловых шумов в чистых металлах). В работе показано, что разрешающая способность схемы должна находился в интервале

Е„

Ку-2

к >£0>Ю"

■Е

где - уровень тепловых шумов; коэффициент запаса, позволяющий надежно отличать полезный сигнал от теплового шума (с учетом 1% - точности при градуировке ГДТП можно принять т=2); - верхний предел измерения для выходного сигнала

С учетом сказанного ясно, что сигнал датчика «коэффициент запаса») должен иметь уровень

а требуемая разрядность аналого-цифрового преобразователя составляет

Таким образом, ГДТП на основе висмута представляют интерес для экспериментаторов, но их характеристики (в первую очередь - динамические) требуют специального исследования.

Глава 2 посвящена исследованию динамических характеристик ГДТП. В ней описаны экспериментальные установки для определения постоянной времени датчика, предложены тепловые модели, описывающие динамику процессов в ГДТП, обсуждаются результаты натурных экспериментов.

Измерение теплового потока в нестационарном режиме представляет первостепенный интерес, поскольку даже в процессах, которые принято считать стационарными, тепловой поток подвержен флуктуациям различной природы. Так как изменение теплового потока во времени может происходить по любому закону, обычно рассматривают, как связан сигнал датчика со скачкообразным изменением измеряемой величины

Экспериментальные исследования переходных характеристик ГДТП проводились с помощью импульсных лазеров Delta-201 и ОГМ-20, которые работали в режимах свободной генерации и модулированной добротности при следующих параметрах: для лазера Delta-201 длина волны - 1,06 мкм; длительность импульса - 0,15 мс; мощность излучения - 1250кВт/м2, для ОГМ-20 -длина волны - 693,4 нм; длительность импульса - 30 нс и 400 мкс; мощность излучения - 10 Вт. В качестве контрольных датчиков использовались фотодиоды типа ФД-2 и фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Регистрация сигналов ГДТП и контрольных датчиков проводилась запоминающими аналоговыми и цифровыми осциллографами типа С8-17, С1-94 и фирмы «Tektronix».

Опыты проводились на ГДТП с размерами 4x7 мм и 5x5 мм и толщиной 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 и 4,0 мм с вольт-ваттной чувствительностью 10... 15 мВ/Вт. Поверхность датчиков была покрыта специальным составом со степенью черноты 0,98. Результаты опытов для всех датчиков оказались практически одинаковыми: было установлено, что постоянная времени от толщины ГДТП не зависит.

На рис. 5 представлены (в различных масштабах по времени) результаты измерений теплового потока в обоих режимах генерации. Видно, что ГДТП намного точнее, чем фотодиод, показывает, как меняется мощность даже в нано-секундном диапазоне. Измерения на максимуме временного разрешения показали (рис. 6), что ГДТП позволяет детализировать особенности процесса при временах порядка 10 7 С, что на 1...2 порядка меньше характерных времен большинства процессов теплообмена.

Столь высокий уровень быстродействия ГДТП не позволяет достаточно точно (до 1...10%) определить Можно лишь утверждать, что постоянная времени ГДТП на основе монокристаллического висмута имеет уровень с, а это делает такие датчики практически безынерционным инстру-

ментом для теплотехнических исследовании.

Результаты опытов показывают, что формирование термо-э.д.с. в нестационарном режиме происходит в весьма тонком поверхностном слое висмута. Природа этого явления до настоящего времени не изучена; обсуждение вопроса возможно, на наш взгляд, лишь с использованием аппарата физики твердого тела, методологии неравновеснои термодинамики и т.д., что выходит за рамки воз-можностеи и задач настоящеи работы.

В то же время, можно показать, что достигнутыи уровень быстродеиствия не противоречит представлениям теории теплопроводности.

Численный эксперимент (рис. 7) показывает, чю анизотропия теплопроводности заметно искривляет изотермические сечения ЛТЭ лишь у краев. Не равный нулю, но весьма малый наклон изотерм позволяет «для кристалла в целом» использовать аппарат теории теплопроводности изотропной среды с эффективными тепло- и температуропроводностью Рис. 5. Пример про1окол-фотографии А. и я, соответственно,

экрана осциллографа «Tektronix» при ТрК ,,, Jl..... f.fcjiCjri^f мы ббДО)!

синхронной записи сигналов в режиме свободной генерации: а -ГДТП и фотодиода ФД-2; б - ГДТП и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ)

В главе предложена градация моделей (полуограниченное тело, одно- и двухслойная пластина), для которых получены решения краевых задач теплопроводности. Показано также, что в диапазоне чисел Фурье, характерных для нашей задачи, усложнение модели не

оправдано, а потому можно ограничиться решением для полуограниченного тела, разогреваемого внешним тепловым потоком постоянной плотности.

Iff '1 ¡№ ' Ы ittóT м Ш......"WC-.......

рис 6 Результаты измерения теплового потока -импульс 30 нс (фотография экрана осциллографа «Tektronix»)

Рис 7 Моделирование поля температуры в анизотропной пластине мето дом конечных элементов Слева - шкала температур (в К)

Расчет показал что формирование термо-э д с происходит в слое толщиной около 5 10 м что возможно как с позиций теории термоэлектрических яв тений, так и по представлениям о взаимодействии излучения с веществом

Реализуемый подход позволит также сопоставить возможности ДТП продольного и поперечного типов в стационарной и нестационарной теплометрии

Принципиальное различие двух типов датчиков состоит в том что ГДТП формирует сигнал Рх в слое ^«И л сигнал ДТП продольного типа £| пропорционален разности температур на всей толщине

E1 = S0i F <?max erfc

E] =S0| [7(0,i)-r(A,t)]=S(

о Fx ДГ,

где индексы || и _L относятся к соответствующим типам ДТП, а Fo0 =

а т

ло Фурье чля ГДТП Известно, что

.2?тал h

—г- - icrfc

л/Я

= Чи

ф(Рол).

h У

гае Fo*=7T> (P(FoJ = 2/Fo

-p-ierfc— чл/я 2^Foh ^

Графики функций <р(Ь'ол) и erfci—5=1 представлены на рис 8 Как ви-

V2VFoJ

дим, функция ф(Рол) достигает уровня 0,98... 0,99, соответствующего погрешности измерений в 1...2%, только при Рой>100.

егЕ:-—

0,6 0,4 0,2

В работе сделаны оценки инерционности ДТП конструкции ИТТФ НАН Украины и ГДТП на основе висмута. Показано, что при нестационарной теплометрии ГДТП превосходит ДТП продольного типа по чувствительности почти на два порядка (разница в быстродей-

Г1 10"' 101 103 ¥оь Ро,

Рис. 8. Графики функций и

егй;—}=

ствии обсуждалась в гл. 1 и представлена на рис. 4, а).

В стационарной теплометрии быстродействие ГДТП роли, конечно, не играет, но малая толщина (0,1...0,2 мм) определяла их термическое сопротивление уровнем 3,5-103 (м2К)/Вт; для рассмотренных выше ДТП продольного типа эта величина составляет около 2-103 (м К)/Вт. Следовательно, в стационарном тепловом режиме ГДТП искажает поле температуры намного меньше, чем ДТП продольного типа.

Глава 3 касается применения ГДТП в исследовании теплообмена на поверхностях поперечно обтекаемого цилиндра, пластины со сферическими и вытянутыми лунками, траншеями и кавернами, вертикальной нагретой пластины и поверхностей в ударных трубах.

До середины 90-х гг. ГДТП в теплотехническом эксперименте сколько-нибудь широко не использовались. С учетом долговременной (свыше 30 лет) стабильности абсолютной градуировки и установленного уровня постоянной времени в первую очередь необходимо тестировать ГДТП на классических экспериментальных задачах теплообмена и убедиться, что результаты не приносят неожиданностей. При этом высокое быстродействие ГДТП позволит получить дополнительную информацию о пульсациях теплового потока на поверхности; применимость таких результатов также нуждается в обсуждении.

Теплообмен_пр_и поперечном обтекании цилиндра.

Использование ГДТП позволяет определить местное (в пределах площади датчика) значение коэффициента теплоотдачи непосредственно по сигналу датчика

а =

Поскольку для цилиндра диаметром

Nu =

______ = E _

\f WPfJxJ S0fX,(TH-Tr) x vM7".-1))'

ГДТП можно условно считать «нуссельтомером». при правильной градуировке «шкалы прибора» он определяет именно величину Nu = const ■ Ех.

Первый этап экспериментов по исследованию конвективного теплообмена при поперечном обтекании изотермического цилиндра проходил в лаборатории кафедры «Гидроаэродинамика» СПбГПУ. Замкнутая аэродинамическая труба с открытой рабочей частью обеспечивала в струе между круглым соплом диаметром 500 мм и диффузором низкий уровень турбулентности (Ти<0,77%) Скорость воздуха в рабочей части трубы определялась с помощью трубки Прандтля и микроманометра; в наших опытах средняя скорость потока достигала 25 м/с.

В рабочей части аэродинамической трубы мы устанавливали круглые гладко-стенные стальные цилиндры 2 (рис 9, а, б) диаметром 25, 66 и 166 мм, длиной 500 мм, с толщиной стенки 0,1 мм. (Столь малая толщина определялась выбором материала и, как показали опыты, практически не снижала жестко -сти цилиндра при обдуве).

Снизу в цилиндр 2 по трубе 4 подавался сухой насыщенный пар из парогенератора; давление пара контролировалось манометром 6. По трубке 5 конденсат сливался в конденсатосборник. Таким образом, поверхность теплообмена имела температуру, близкую к температуре насыщения пара. Цилиндры 2 монтировались на специальном вращающемся столе 3 со шкалой, цена деления которой составляла 1°. Стол позволял поворачивать цилиндр с закрепленным на нем ГДТП на определенный угол относительно набегающего потока. ГДТП размерами 4x7x0,2 мм; 5x5x0,2 мм; 15x2x0,2 мм устанавливались заподлицо с поверхностью цилиндров; вольт-ваттная чувствительность датчиков находилась в пределах 9,8...20 мВ/Вт. Азимутальный угол, который перекрывали ГДТП, составлял для цилиндров диаметром 25 мм - 18,5°; 66 мм - 3,5...7°; 166 мм - 2,8°. Во время опыта цилиндр с ГДТП поворачивался вокруг оси на

требуемый угол ф, при этом за начало отсчета принималась лобовая точка

Чтобы исследовать корреляцию между пульсациями скорости и теплоотдачи, на удалении 1,5 мм от ГДТП (и на том же угле ф) помещался термоанемометр 7. Запись его показаний велась одновременно с записью пульсаций теплового ноюка.

В первой серии опытов были, кроме того, записаны пульсации статического давления на стенке цилиндра. Ход кривых соответствует традиционным представлениям об аналогии Рейнольдса. Измерение, запись и обработка экспериментальных данных выполнялись измерительно-вычислительным комплексом на базе персонального компьютера. Погрешность в определении локального коэффициента теплоотдачи не превышала 2,0%.

Локальные, осредненные во времени и средние коэффициенты теплоотдачи получены в диапазоне чисел Рейнольдса (рис- 10) и имеют классический характер.

С увеличением угла (|) коэффициент теплоотдачи убывает (вследствие роста толщины пограничного слоя) и достигает минимума при Затем ламинарный пограничный слой срывается и турбули-зация повышает коэффициент теплоотдачи.

Полученные результаты достаточно близки к многочисленным данным исследований, признанных надежными. Несмотря на существенное или даже коренное различие в мето-долш ии и технических средствах измерения, хорошее соответствие наблюдается во всех случаях, включая минимальные значения N11 вблизи ф=85°. Это подтверждает правильность оценки усредненных во времени и пульсирующих чисел Нуссельта в эксперименте. В распределениях Nu в области имеется, в частности, площадка перед повторно присоеди-няюшейся частью потока. В ходе обработки опытных данных получено уравнение Ш = 0,29Яе°'55.

В современном вычислительном эксперименте велика и постоянно вырастает потребность в верификации расчетов. Особенно важно иметь опытные данные по пульсационным характеристикам скорости, давления, температуры, теплового потока в турбулентных течениях. Опыт, накопленный в ходе числен-

Рис. 10. Безразмерные кривые, характеризующие изменение местного коэффициента теплоотдачи на изотермической поверхности поперечно обтекаемого цилиндра

ных экспериментов, показывает, что при Re > 10я применение без верификации современных моделей турбулентности практически невозможно, а при меньших значениях числа Рейнольдса значительно снижает доверие к данным компьютерного моделирования.

Наибольшее распространение в качестве инструмента верификации получили методы термоанемометрии, где в эксперименте удается записать пульсации температуры вблизи поверхности. Именно эти данные считают наиболее надежными, поскольку диаметр нити термоанемометра имеет порядок Ю^м, а постоянная времени

Возможности ГДТП значительно больше - именно в силу различий в постоянной времени. В наших опытах каждое измерение выполнялось 6104 раз по 2-103 измерений в секунду. Экспериментальные данные были обработаны в виде критерия интенсивности пульсаций плотности теплового потока:

- среднеквадратичное значение пульсаций теплового

потока при фиксированном угле - средняя плотность теплового потока

при том же угле ф).

Статистическая обработка экспериментальных данных по стандартным программам позволила получить в каждом опыте набор п значений средней плотности теплового потока которую можно считать дискретной и случайно меняющейся величиной. Целевой функцией в этом случае является дисперсия плотности теплового потока D:

где а - среднее квадратичное отклонение; q - среднее арифметическое измеряемой плотности теплового потока.

Спектральная плотность пульсаций плотности теплового потока на фиксированном угле ф рассчитывалась по программе быстрого преобразования Фурье.

В ходе опытов установлено, что при ф = 0...60° течение в пограничном слое ламинарное, а, начиная с наблюдаются отдельные всплески пуль-

саций и переход к турбулентному течению. Характер пульсаций сохраняется до задней критической точки

Отметим, что сходный характер пульсаций наблюдался и в работе [Х.Накамура и Т.Игараши], где на поверхности цилиндра располагался пленочный датчик термоанемометра.

На рис. 11 и 12 представлено частотное распределение пульсаций теплового потока для различных чисел Рейнольдса.

Рис. 11. Распределение спектра мощности пульсаций скорости (а) и плотности теплового потока (б) на угле ф = 15 0° при Ке=3 • 10

^........... ЯК

(м/с)/]ц| I I I I ' I I I I I (В]/м2)/Гц1 0,4 4_Д -I I I I I 16-

0,3 0,2 0,1

- 1. |[ (?е=5 п 3 1 а

г®

1 I J

й к шоЯЯЯ

I I □ П п

11 Ке= =5,3 1СГ |

Г,

I, !,|1 I ¥ 71

шиши»?

50 54 58 62 66 /, Гц

50 54 58 62 66 ¿Гц С)

Рис. 12. Распределение спектра мощности пульсаций скорости (а) и плошосш теплового потока(б) при и

Зависимость интенсивности пульсаций Г] и дисперсии плотности Б для теплового потока от угла (0 представлены на рис 13 и 14

20 15 10

й-10

0 30 60 90 120 150 Ф,

Рис. 13. Интенсивность пульсаций плотности теплового потока для разных чисел Рейнольдса

0 30 60 90 120 150 ф,'

Рис. 14. Дисперсия плотности

теплового потока для разных чисел Рейнольдса

По мере роста числа Рейнольдса максимум амплитуды пульсаций сдвигается в сторону больших частот, сама амплитуда при этом связана с частотой почти линейно. В этой области энергетические спектры имеют пики, соответствующие частоте отрыва вихрей. Эти особенности энергетического спектра в повторно присоединяющейся области потока соответствуют результатам численного моделирования, выполненного под руководством М.Х. Стрельца. Отчетливые максимумы на частотах 33,0 Гц и 58,0 Гц достигают 250 (Вт/м2)/Гц при ф = 150°, что с точностью до 0,1 Гц совпадает с максимумами в энергетических спектрах скорости. Частота отрыва вихрей также совпадает с частотами, рассчитанными по числам Струхаля с учетом степени загромождения потока

(811=0,316).

В пределах ламинарного течения в пограничном слое интенсивность пульсаций и дисперсия плотности теплового потока сохраняют минимальные и почти постоянные значения (около 4% для ф<60°). Рост обеих характеристик наблюдается сразу за точкой отрыва, в области, где местные коэффициенты теплоотдачи минимальны, этот рост достигает 15...20% вблизи задней критической точки (ф = 180°). На кривых наблюдаются локальные минимумы и максимумы в районе что свидетельствует о весьма сложном отрывном характере течения вблизи поверхности в этой зоне.

Вид кривых Т](ф) И 0(ф) (рис. 13, 14) согласуется с результатами известных работ А.А.Жукаускаса и др. как качественно, так и количественно.

Применение ГДТП позволило определить местные коэффициенты теплоотдачи на круглом цилиндре при установке вдоль образующих турбулизаторов в виде проволок диаметром 1,5...2,0 мм.

На рис.15 приведены распределения местных коэффициентов теплоотдачи для гладкого цилиндра и цилиндра с турбулизаторами при !1е = 9'104. В ходе опытов был найден оптимальный угол установки турбу-лизаторов - *|/ = ±55°. Местный коэффициент теплоотдачи на угле по сравнению с гладким цилиндром возрастает в 4,5 раза, а средний по окружности коэффициент теплоотдачи - в 1,25 раза.

Для интенсификации теплообмена на пластине используют лунки (сферические и вытянутые), каверны различного сечения и т.д. Данные литературы об эффективности турбулизаюров нередко противоречивы

Использование ГДТП позволило определить местные значения плотности теплового потока и коэффициентов теплоотдачи в ходе натурного эксперимента, это дало материал для обсуждения численных экспериментов

ГДТП устанавливались на различных зонах турбулизаторов, а также на гладкой поверхности пластины перед турбулизатором (для сопоставления) и позади него (для того, чтобы оценить влияние турбулизатора на «шлейфовое» изменение коэффициента теплоотдачи). Схема опытов отличалась от представленной на рис. 9 только формой «коробки», моделировавшей нагреваемую паром поверхность.

Первая серия опытов была посвящена теплообмену в сферической лунке диаметром 65 мм и глубиной 9 мм, размещенной на удалении 400 мм от входного сопла

Местные коэффициенты теплоотдачи, определяемые на поверхности лунки, соотносились с коэффициентом теплоотдачи на гладкой поверхности перед

(рис 16, а, б), (индекс «у» относится к величинам, измеряемым на сферической

лункой. Измерения были обработаны в виде зависимостей

а.

(Не)

Рис. 16. Изменение относительных местных коэффициентов теплоотдачи по

продольному (а) и поперечному (б) центральным сечениям лунки Штриховыми линиями обозначены данные численного моделирования, полученные С А Исаевым и др

поверхности лунки, а индекс «т^» на плоскости; Яе--^-, где й? —диаметр лунки) Коэффициент теплоотдачи в продольном сечении лунки сначала понижается, а затем, ближе к задней кромке, возрастает (относительно а„) в 1,8 1,95 раза (рис 16, а) В поперечном сечении для всех исследованных чисел Рей-нольдса коэффициент теплоотдачи возрастает и достигает максимума на радиу-20

се 16 мм (Ке=2,5-104) или в центре лунки (11е=4,2-104 и 11е=6,4-104) (рис. 16, б).

Как видим, методика численного моделирования нуждается в уточнении.

Получены также усредненные но поверхности лунки безразмерные коэффициенты теплоотдачи а5 (рис. 17).

Видно, что при 11е<2,6-104 лунка неэффективна, а уже при г>4

11е=6,5-10 повышает теплоотвод на 19%. Совпадение с данными численного моделирования в этих опытах лучше, чем в предыдущих.

В следующей серии опытов оп- Рис 17 Относительные средние коэффи-ределялись местные коэффициенты циенты теплоотдачи в сферической лун-теплоотдачи позади лунки; размеще- ке Штриховыми линиями обозначены

а н н ы

представлено н а

пие Г ДТП рис. 18.

История потока [акова, что на расстоянии до за лункой не происходит «успокоения» течения (рис. 19). Таким образом, если установить следующую лунку на этом расстоянии, она окажется в возмущенном потоке

Попьпки распространить численное моделирование на асимметричные лунки

е С А. Исаева и др. 2,5 с1

№

Рис. 18. Размещение ГДТП при измерении тепловых потоков на плоскости позади сферической пoтpe- лунки

Рис. 19. Относительные местные коэффициенты теплоотдачи на пластине позади сферической лунки: в квадратиках - места установки ГДТП, соответствующие рис. 18 21

бовали экспериментов для верификации В модели С.А. Исаева и др. и наших опытах исследовалась лунка (рис. 20, а) с соотношением размеров

Рис. 20 Форма вытянутой лунки (а),относительные местные коэффициенты те-

и поперечном (в) сечениях.

Здесь же нанесены данные для сферической лунки той же относительной глубины. На рис. 20, б, в видно, что симметрии в коэффициентах теплообмена не наблюдается ни в продольном, ни в поперечном направлениях, что подтверждает данные численного моделирования. Для полноты картина мы выполнили опыты на «предельном» варианте - поперечной Рис 21. Относительные коэффициенты теплоот- цилиндрической каверне; ре-дачи в траншее и в ее следе для разных чисел Рей- зультаты представлены на нольдса рис. 21.

Видно, что на входе в траншею теплоотдача падает почти аналогично лунке. Затем, по мере приближения к задней кромке, возрастает до величин, в 2 раза превышающих теплоотдачу на пластине. На удалении в за траншеей отклонение коэффициента теплоотдачи от исходного составляет 10...25%; и, как показывает ход кривых, «шлейф» интенсифицированного теплообмена прогнулся

на 5...10^и более.

Опыты проводились также в поперечной каверне трапециевидного сечения глубиной 60 мм (рис. 22). Конструкция рабочего участка и условия опытов были выбраны близкими к данным работ В.И. Терехова и др., где стенки обогревались электрическим током. Размеры, форму каверны и зону нагрева мы выбрали в точном соо]ветствии с данными В И.Терехова. Сравнение с теплоотдачей на плоскости в наших опытах не проводилось, так как поток воздуха не имел «тепловой исюрии» перед каверной: паровой нагрев был сделан лишь для самого рабочего участка

Сопоставление данных с результатами В.И. Терехова и др (рис. 23) показало, что на дне каверны совпадение почти полное, а на стенках наблюдаются существенные отличия Эти резуль-Рис. 23. Изменение коэффициента теплоотдачи таты требуют дальнейшего на поверхности каверны: 1 - в наших опытах; детального обсуждения

2 - по данным В.И. Терехова и др. 23

Рис. 22. Изменение местного коэффициента теплоотдачи в трапециевидной каверне

Озободночаднвекта^

Проведены исследования свободно-конвективного пограничного слоя, образующегося на.вщтакалщой^авщ^ернд Опыты проводились на экспериментальном стенде кафедры «Гидроаэродинамика» СПбГПУ. Генератором свободно-конвективного потока является вертикальная алюминиевая пластина шириной 90 см, высотой 4,95 м и толщиной 20 мм.

Целью экспериментов было сравнение результатов, полученных с помощью термоанемометрической аппаратуры и с помощью ГДТП.

На рис. 24 изображены спектры пульсаций температуры (а) и теплового потока (б) в различных по высоте пластины сечениях пограничного слоя. Видно

Рис. 24. Спектр пульсаций температуры (а) и теплового потока (б) на удалении от нижнего края пластины качественное соответствие результатов

На рис.25 представлены зависимости максимальных по сечению интен-сивностей турбулентных пульсаций температуры и пульсаций теплового потока от числа Распределения близки по форме, что косвенно подтвер-

ждает единую природу обоих процессов.

Тещообменв ^д^ныхщубах

Тепловые процессы в ударных трубах существенно нестационарны: характерное время имеет порядок с и менее, а теплообмен в системе «газ - стенка» сложен по физической природе и изучен недостаточно.

В опытах традиционно принято измерять давление в полости трубы и температуру на стенке (цилиндрической и торцевой). Измерения тепловых потоков на поверхности теплообмена, насколько нам известно, до последнего времени не проводились- тепловой поток определяли расчетным путем. В случаях, когда теплообмен происходит в электрических и магнитных полях, тепловые потоки вообще не имеют расчетной оценки.

10' 10" С3г,

Рис. 25. Интенсивность турбулентных пульсаций температуры и теплового потока

Измерения проводились на ударных трубах лаборатории газодинамики ФТИ им. А.Ф Иоффе РАН и кафедры «Гидроаэродинамика» СП61ПУ. В опытах использовались ГДТП площадью 4x7 мм и 5x5 мм , толщиной 0,2 мм, наклеенные на органическое стекло или на тефлон. Регистрация сигналов I ДТП проводилась запоминающими аналоговыми и цифровыми осциллографами типа С8-17 и фирмы «Tektronix».

На ударной трубе ФТИ опыты проводили в атмосфере ксенона, нагреваемого ударной волной с числом Маха М-6 . 7. ГДТП располагали заподлицо с внутренней цилиндрической стенкой трубы в сечениях, отстоящих от закрытого торца на / = 100 и 425 мм, ориентируя датчики меньшей стороной вдоль оси трубы.

В этих же сечениях устанавливали пьезоэлектрические датчики давления с диаметром чувствительного элемента 4 мм. Таким образом, в каждом опыте регистрировали теловой поток и давление вначале за падающей ударной волной, а затем ударной волной, отраженной от закрытого торца трубы.

Данные измерений в сечении, снсюящем 01 торца трубы на 100 мм, представлены на рис 26.

Ударная груба СП6ГПУ имела глухой торец опыты проводи.

ли на воздухе при числе Маха М=1,9; 1 ДШ размещали на вну|-внутренней цилиндрической стенке трубы в сечениях, удаленных на 3 м, 98 мм и 40 мм от торца, а также в центре торцевой заглушки канала.

Представляют особый интерес опыты, в которых синхронно записаны изменения давления, плотности тепловою потока и температуры (рис. 27), измерен-Рис 27 Изменение сигналов датчиков дав- ной тонкопленочным платино-ления (кривая 1), плотности теплового по- вым термометром сопротивления тока (кривая 2) и температуры (кривая 3) в при многократном отражении ударной трубе с многократным отражением ударной волны в 3 м от торца ударной волны 25

Рис 26. Изменение плотности теплового потока и давления в ксеноне на стенке ударной трубы в сечении, отстоящем от

ее торца 100 мм

ударной трубы.

Следующую серию составили опыты на ударной трубе ФТИ (рис. 28), в которых исследовалось влияние внешнего магнитного поля большой напряженности на сверхзвуковое течение плазмы в расширяющемся сопле. ГДТП 3 были установлены на клиновидной пластине, которая является продолжением аенки 4 сверхзвукового сопла. Камера со сверхзвуковым соплом была снабжена электромагнитами 6 для создания импульсного магнитного поля в момент прохождения потока по соплу.

Рис. 28. Схема (а) и общий вид концевой части с соплом (б) ударной трубы ФТИ с внешним электромагнитным полем. Цифрами обозначены 1 - ударная труба; 2 - датчик давления; 3 - вставки с ГДТП; 4 - сопло; 5 - клиновидная пластина; 6 - электромагниты; 7 - движение газа; 8 - отраженная ударная волна

Продолжительность этого процесса определяется длительностью стационарного истечения и составляет примерно 1 мс. В течение этого времени осуществляется магни-тогазодинамическое (МГД) взаимодействие, изменяющее картину течения.

На рис. 29 показаны сигналы датчика теплового потока при различной интенсивности МГД взаимодействия (на графике эта величина характеризуется безразмерным Рис. 29. Плотность теплового потока на числом Стюарта 8). стенке сопла в зависимости от наличия и Через 500 мкс для кривой, со-

напряженности магнитного поля

ответствующей S=0,42, и через 1,1 мс для кривой, соответствующей S=0,32, наблюдается резкий рост теплового потока. Мы это связываем с возникновением отрывного течения в сопле перед пластиной, инициированного МГД взаимодействием (ср. кривую при S=0) ГДТП, имеющий абсолютную градуировку, дает количественную информацию о теплообмене в этих (и других) условиях МГД взаимодействия.

Глава 4 описывает применение ГДТП в прикладных разработках: при создании чувствительного элемента для систем контроля облучения, измерении местных тепловых потоков на огневых поверхностях двигателя внутреннего сгорания и в вертикальных трубах хранилища делящихся материалов.

В рамках одной из наших разработок создан чувствительный элемент (ЧЭ) для регистрации облучения объекта достаточно мощным (около 0,5-10 Вт/м ) тепловым потоком. Прибор генерирует сигнал постоянного электрического тока в несколько вольт. Конструктивно ЧЭ состоит из полушара 1 с «террасами» на образующей, заполненными ГДТП 21 (рис. 30) Тепло-метрическая часть ЧЭ защищена экраном 3.

Разработана модель тепловых процессов в системе «полушар-экран»; проведена серия численных экспериментов и натурные испытания ЧЭ.

Моделирование подтверждает экспериментальные данные (рис. 31) и ныхи расчетных характеристик чувстви-позволяет оптимизировать конструк- тельного элемента

цию ЧЭ путем численного эксперимента.

Проведено измерение плотности локального теплового потока в крышку блока цилиндров дизельного двигателя Indenor XL4D производства концерна РСА Peugeot Citroen.

В опытах применялся ГДТП 1 чувствительностью и размера-

ми 4x7x0,2 мм.

При сгорании топлива в цилиндре (рис. 32) видны «два максимума» теплового потока: первый находится точно в ВМТ, второй - в 70.. 80° после ВМТ, что характерно для дизелей с разделенными камерами сгорания. Эксперимеы-

1 В разработке и изготовлении датчика принимал участие к ф -м н дои Н П Дивин

рис. 30. Конструкция чувствительного элемента: 1 - иолушар, 2-ГДТП, 3 - экран,

Рис- 31. Сопоставление экспсримснталь-

гального подтверждения «двойной максимум» до сих пор не имел - в первую очередь, из-за отсутствия дагчиков теплового потока с достаточно малой инерционностью.

Датчик теплового потока в цилиндре дизельного двигателя показал свою работоспособность и пригодность к проведению нестационарной теплометрии в ДВС.

Системы хранилищ делящихся материалов (ХДМ) должны быть недорогими в строительстве и эксплуатации, простыми и надежными. Поэтому важная роль в охлаждении О 180 360 540 у, их «начинки» принадлежит естест-Рис. 32. Зависимость плотности местного венно-конвективному телообмену -теплового потока от утла поворота в первую очередь, в вер шкальных коленчатого вала. трубах. Различное распределение

загр>зки требует рассматривать подогрев таких труб на различных участках, не исключено сочетание естественной и вынужденной конвекции и т.д.

В главе описан опыт применения ГДТП в полномасштабном эксперименте на базе ОАО НПО «ЦКТИ им. И.И. Ползунова» (г. Санкт-Петербург). В задачи эксперимента входило:

- измерить поля температуры и теплового потока на наружных и внутренних стенках трубы при различных схемах ее нагрева и охлаждения (постоянным тепловым потоком, средней постоянной температурой); при этом на различных участках трубы требовалось задавать различные условия теплообмена;

- измерить поля скоростей воздуха в трубе при естественной и смешанной конвекции;

- обработать данные опытов в виде уравнений подобия;

сопоставить результаты с данными литературы, заполнить ниши в банках данных, связанных с ХДМ.

Глава 5 обобщает возможности и преимущества 1 ДТП и устройств на их основе при измерении температуры, расхода рабочего тела, касательных напряжений трения, теплофизических и радиационных характеристик, а также параметров электрических цепей.

как в качестве термометров сопротивления, так и , по «пассивной» схеме: в этом случае не требуется применять внешний источник, а температуру однозначно определяет термо-э.д.с. датчика и его омическое сопротивление (рис. 33). Показано, как измерять тепловой поток и температуру на поверхности одним ГДТП и по одной паре проводов.

Рис. 33. Схема (а) и результаты градуировки (б) «пассивного» термометра с выходом на один канал регистрации ГДТП дают новые возможности для термометрии в среде жидкости или газа с быстроменяющейся температурой. Схема термометрии в пояснениях не нуждается (рис. 34); расчетная схема измерения сводится к формуле

9(т) = 7(т) + тт|п

рсЕ М0

где 0(т) - текущая температуры среды, омывающей да!чик Ой 7"(т) - показания датчика включаемого как «пассивный» термометр по схеме рис. 33, а; Е2-Е1 - разность термо-э.д.с. ГДТП , фиксируемая прибором;

эффективная объемная теплоемкость «материи-ла» ГДТП; Ж - площадь датчиков в плане; А -

Рис 34. Схема нестационарной термометрии с примене.

средняя вольт-

ГДТП

толщина каждого из ГДТП; 50 -ваттная чувствительность ГДТП.

Использование ГДТП. .позволило,_ создать

действующий по методу тепловой метки

кор£еляда_онньш__р_асходо_мер,

(рис. 35, а).

Тепловая метка (область жидкости с более высокой температурой) приводит к появлению в цени ГДТП сигналов Е\ и Е2, Корреляционная обработка этих сигналов (резко отличных по форме) с помощью быстрого преобразования Фурье позволяет оценить их сдвиг по времени, а затем определить объемную скорость движущейся среды. Для воды при температуре в диапазоне

скоростей 0,7...3,5 м/с получим зависимость

где V - объемный расход воды, см /с; Тп - время прохождения тепловой метки, с. В отличие от расходомеров на термисторах, в данной конструкции точность измерения не убывает, а возрастает по мере уменьшения расхода: удалось сделать «счетчик капель». В более грубом, не требующем тарировки и компьютерной обработки сигналов, варианте прибор действует как двухсигнальное реле протока.

Рис. 35. Корреляционный расходомер на основе ГДТП (а) и типичные корреляционные кривые (б). Цифрами обозначены: 1 - трубка расходомера;

2 - нагреватель; 3,4- ГДТП. Е\иЕ2- сигналы ГДТП 3 и 4, соответственно

В случаях, когда в течении соблюдается аналогия Рейнольдса, С П_ОМОЩЬЮ глш^ааетсджмертъмо.^ Схема датчика

КНТ представлена на рис. 36. Датчик установлен заподлицо с омываемой потоком поверхностью 4; нагреватель 1 электрически изолированный прокладкой 2 от ГДТП 3, обеспечивает малый (на доли градусов) перегрев открытой поверхности ГДТП относительно потока. Таким образом, «течение в целом» является изотермическим.

Для градуировки датчика КНТ мы реализовали вращательное движение Куэтта (рис. 36, б), где по частоте вращения внутреннего цилиндра радиусом и зазору между коаксиальными цилиндрами определяем КНТ

(Здесь Ц — динамическая вязкость среды).

Для градуировки достаточно измерить сигнал ГДТП при двух значениях СО . В работе предложен ряд типовых моделей, позволяющих создавать датчики КНТ различных конструкций.

Рис. 36. Датчик КНТ с дополнительным нагревателем: а - конструкция; б -схема градуировки). Цифрами обозначены: 1 - плоский нагреватель; 2 - теплоизоляционная прокладка; 3 - ГДТП; 4 - поверхность, обтекаемая потоком Представлены расчетные.схемы,для Апредалетия ЛемйфизичАск_их .характе-ржлцк тепловыделяющих и сыпучих материалов, основанные на использовании ГДТП и не требующие термомефии. Впервые реализована схема определения те-плофизических характеристик, реализующая схему Э.Шмидта, и не требующая строго поддержания граничных условий: достаточно соблюдения одномерности задачи.

Рис. 37. Определение теплофизических характеристик на основе схемы Э. Шмидта: а - схема опыта; б - кривые, подлежащие обработке. Цифрами обозначены: 1 - исследуемый образец; 2 - стальные пластины; 3 - ГДТП;

4 - термопары; 5 - излучатель Конструкция излучательной ячейки ясна из рис. 37, а. Образец 1 помещен между пластинами 2, на каждой из которых заделан ГДТП 3 и термопара 4 (от термопар, вообще говоря, можно отказаться, использовав «пассивную» термометрию). Нагреватель 5 обеспечивает несимметричный нагрев всей сборки. В опыте

фиксируются динамические характеристики ГДТП Е и термопар ,ЕТ, после чего

теплопроводность материала X определяют как

Х--

Е^-К

50 Е&ЕТ

где АЕГ - разность сигналов термопар чувствительностью ке; Ах - толщина слоя материала.

Стедедь_ч^НОТЫ ловерхноста 1 можно оценить бесконечным способом, располагая массивный зонд 3 с ГДТП 2 на задней поверхности на малом удалении от исследуемой поверхности (рис. 38). Степень черноты поверхности

Рис. 38. Схема опыта по определению степени черноты поверхности: 1 - исследуемая поверхность; 2-ГДТП; 3-массивный зонд

Со ............

абсопютпо черного тела;

- значения плотности теплового потока в произвольные моменты времени - абсолютные температуры ГДТП в ге же моменты времени.

Выявлены также возможности .ГДТП !^элемента£истемы^щ^етадода ления элекщзэнергии, исключающие несанкционированное воздействие. Фазовый провод на «мерном участке» должен быть покрыт или окружен ДТП, фиксирующими меняющиеся во времени значения джоуль-ленцева теплового потока (для последующей обработки в индивидуальном счетчике, архивирования, оплаты и т.д.). Такую систему «обмануть» крайне сложно: любое значение тока в проводнике вызовет сигнал ГДТП, причем условия теплообмена, температура воздуха и т.п. факторы влиять на уровень этих сигналов практически не будут.

Схема датчика джоуль-ленцевых потерь представлена на рис. 39. Расплющенный участок проводника с током / имеет размеры ахЦ с обеих сторон они закрыты ГДТП толщиной Ь, соединенными последовательно. Сигнал Е прямо пропорционален тепловому потоку и может быть использован для участка потребленной активной мощности.

Рис. 39. Проводник с ГДТП для контроля джоуль-ленцевых потерь

В работе оценивается эффективность такой схемы по физическим, экономическим и метрологическим ограничениям. Показано, что уровень быстродействия ГДТП позволяет вести мониторинг в цепях переменного тока определить частоту, коэффициент мощности и другие параметры, а также создавать иерархию устройств для учета энергопотребления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Установлены особенности, возможности и место в существующей номенклатуре измерительных средств для градиентных датчиков теплового потока (ГДТП) на основе анизотропных монокристаллов висмута.

2. Определены связи между характеристиками ГДТП. плотностью измеряемого теплового потока и возможностями современных цифровых технологий.

3. Показано, что постоянная времени ГДТП не зависит от их толщины и определяется процессами в поверхностном слое анизотропной среды. Установлено, что значение постоянной времени ГДТП не превышает

4. Подтверждены экспериментально возможности ГДТП в исследовании процессов конвективного теплообмена. Показано, что ГДТП позволяют измерять

ные характеристики нестационарного теплообмена. С их помощью удается подобрать в ходе экспериментов рациональное расположение турбулизаторов, например, на поперечно-обтекаемом цилиндре.

5. Исследованы параметры местного теплообмена на поверхности и в окрестностях сферической и асимметричной лунки, цилиндрической и трапециевидной каверны. Выполнено сопоставление результатов с данными численного моделирования.

6. Исследована 1еплоотдача при свободно-конвективном движении жидкости вдоль протяженных вертикальных Установлены корреляции данных теп-лометрии и термометрии.

7 Измерена плотность теплового потока на внутренних поверхностях ударных труб, работающих на воздухе и на ксеноне. Установлено различие в механизме теплообмена на цилиндрической и торцевой поверхности ударной трубы. Показано, что воздействие внешнею магнитного импульса напряженностью около 1 Тл не влияет на показания ГДТП

8. Разработан чувствительный элемент, в котором ГДТП выступают в качестве индикаторов облучения и формируют электрический сигнал, не требующий дальнейшего усиления. Предложена модель, позволяющая конструировать чувствительные элементы этого типа для различных условий эксплуатации.

9. Установлена зависимость местного теплового потока на поверхности камеры сгорания дизельного двигателя от угла поворота коленчатого вала как в режиме прокрутки, так и с топливоподачей. При работе на вихрекамерном двигателе выявлен «двойной максимум» теплового потока вблизи верхней мертвой точки.

10.Накоплен опыт использования ГДТП в крупномасштабном эксперименте, связанном с изучением теплообмена в хранилище делящихся материалов.

11.Предложено использовать ГДТП для измерения температуры - как в традици-

онном варианте термометра сопротивления, так и по «пассивной схеме», исключающей потребность во внешнем источнике электрического тока.

12. Создан, отградуирован и использован в эксперименте датчик касательных напряжений трения на основе ГДТП. Показана возможность применения датчика при изучении изотермических течений.

13.Разработано, создано и исследовано устройство для корреляционного измерения расхода методом тепловой метки, в котором применение ГДТП обеспечило измерение малых - вплоть до капельных - расходов. Создан новый индикатор движения жидкости.

14.Предложено использовать ГДТП для определения теплофизических характеристик материалов в рамках традиционного подхода. Испытан новый метод исследования теплофизических характеристик, не требующий точного поддержания граничных условий. Показано, как бесконтактно измерять степень черноты поверхности с помощью ГДТП, установленного на зонде.

15.Обоснованы возможности джоуль-ленцевой схемы измерения мощности в электрических цепях. Предлагаемый подход исключает несанкционированное вмешательство в учет энергии, обеспечивает мониторинг одновременно нескольких параметров электрических цепей переменного тока.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Теплометрия в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с использованием градиентных датчиков теплового потока // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика, 1997. №9-10. С. 53-57.

2. Sapozhnikov S.Z., Mitiakov V.Y., Mitiakov A.V. Heat flux sensor for heat transfer investigation// 11-th International Heat Transfer Conference. Kyongju, Korea, 1998. Vol.4, P.77-79.

3. Митяков В.Ю., Митяков А.В., Сапожников С.З. Изучение радиационно-конвективных тепловых потоков с помощью градиентных датчиков// Вторая Российская Национальная конф. по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ, 1998. Т. 6. С. 331-334.

4. Сапожников С.З., Митяков А.В., Митяков В.Ю. Математическая модель и экспериментальное исследование датчика излучения в оптическом диапазоне длин волн// Наука Кубани. Проблемы физико-математического моделирования. Естественные и технические науки. - 1998. №2. С. 17-21.

5. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В., Теплометрия в энергетике и экологии: использование градиентных датчиков// Тез. Докл. Науч.-техн. конф.: Фундаментальные исследования в технических университетах. СПб.: Изд-во СП6ГТУ, 1998. С.192.

6. Митяков В.Ю., Митяков А.В., Сапожников С.З.. Использование градиентных датчиков теплового потока для исследования местной теплоотдачи при поперечном обтекании цилиндра// XII Школа-семинар молодых ученых и специалистов. Т. 1, М.: Изд-во МЭИ, 1999. С. 47-50.

7. Mitiakov V., Sapozhnikov S., Mitiakov A. Local heat transfer in the spherical cavity at the forced convection // 3-rd European Thermal Sciences Conference 2000, Heidelberg, Germany, 2000, vol.2, p. 671-674.

8. Mitiakov V., Sapoznikov S., Mitiakov A. Transient phenomena in gradient heat flux sensors // 3-rd European Thermal Sciences Conference 2000. Heidelberg, Germany, 2000, vol.2, p. 687-690.

9. Сапожников С.З.. Митяков В.Ю., Митяков А.В. Локальный теплообмен при вынужденной конвекции в сферической лунке. IV Минский международный форум по тепломассообмену. Минск, 2000.С.479-482.

10.Mitiakov V.Y., Sapozhnikov S.Z., Chumakov Y.S. and Mitiakov A.V. Experimental investigation of the convective heat transfer using gradient heat flux sensors // 5th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. Thessaloniki, Greece 2001. P.I 11-116.

11.Universal sensor for measuring shear stress, mass flow or velocity of a fluid or gas, for determining a number of drops, or detecting drip or leakage. Divin N.P., Mitiakov V.Yu., Sapo7hnikov S.Z., Mitiakov A.V. Patent number EP1223411. Publication date 2002-07-17.

12.Исаев С.А., Леонтьев А.И., Мшяков А.В., Митяков В.Ю., Сапожников С.З. Местные Коэффициенты теплоотдачи на поверхности вытянутой лунки // Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. Т.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М.: МЭИ, 2002. С.214 - 218. П.Митяков В.10., Митяков А.В., Сапожников С.З Определение радиационных и теп-лофизических характеристик материалов меюдами градиентной теплометрии: Гр. XXVI Сибирскою гсплофизическг о семинара. Институт тешюфизики СО РАН. Новосибирск. 2002.

14.Митяков В.Ю., Митяков А.В., Сапожников С.З., Чумаков Ю.С. Использование поперечного эффекта Зеебека для измерения мгновенного значения теплового потока на вер шкальной нагретой поверхности в условиях свободноконвективного теплообмена // ТВТ. 2002. Т40 №4. С. 669 - 674.

15.Сапожников С.З., Митяков А В , Митяков В.Ю. Возможности градиентных датчиков при измерении тепловых потоков, температур касательных напряжений трения: Тр. XXVI Сибирскою теплофизичеекою семинара. Институт теплофизики СО РАН. Новосибирск, 2002.

16.Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В Возможности градиенгной теплометрии при изучении локального теплообмена в камерах сгорания ДВС/ Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. 1.1 Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М.: МЭИ, 2002. С.214 - 218.

17. Физическое и численное моделирование вихревого теплообмена при турбулентном обтекании сферической лунки на плоскости// Баранов П.А., Исаев С.А.. Леонтьев А.И., Митяков В.Ю. и др. Теплофизика и аэромеханика. 2002, гом 9. № 4. С. 521532.

18. Sapozhnikov S.Z., Mitiakov V.Y., Mitiakov A.V. Capabilities of Gradient Sensors in the measurement of the Heat Huxes, Temperatures, Tangential Stresses, and Thermophysical characteristics of materials /Journal of Engineering Thermophysics, 2003,Vol. 12, No. 1. P. 49 71.

19.Интенсификация смерчевого турбуленшого теплообмена в асимметричных лунках на плоской стенке/ Исаев С.А., Леонтьев А.И., Пышный И.А., Мигяков В.Ю. и др.// Инженерно-физический журнал, 2003. Том 76, №2. С. 31-34.

20.Митяков А.В., Митяков В.Ю., Сапожников С.З.. Градиентные датчики теплового потока в корреляционной расходометрии// XIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов. T.1, M.: Изд-во МЭИ, 2003. С. 417-420.

21.Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. /Градиентные датчики теплового потока: СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003.169 с.

22.Бобашев СВ., Менде Н.П., Сахаров В.А., Митяков В.Ю. и др. Возможности градиентных датчиков при исследовании процессов в ударных трубах: Тр. XXVII Сибирского теплофизического семинара. Институт теплофизики СО РАН. Новосибирск, 2004.

23.Бобашев СВ., Менде Н.П., Сахаров В.А., Митяков В.Ю. и др. Применение градиентного датчика теплового потока в экспериментах на ударной трубе: Тр. Международной конференции «Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений». Москва, 2004.

24.Измерение теплового потока на внутренних стенках канала ударной трубы/ Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. и др. /Письма в ЖТФ, 2004, вып. 2. С.76-80.

25.Сапожников С.З., Митяков А.В., Митяков В.Ю. Динамические характеристики ГДТП: Тр. XXVII Сибирского геплофизического семинара. Институт теплофизики СО РАН. Новосибирск, 2004.

26.Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Градиентная теплометрия в теплотехническом эксперименте// Труды СПбГПУ № 491. 2004. С.34 - 47.

27.Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Градиентные датчики теплового потока в теилофизическом эксперименте//ТВТ.2ОО4. Т42. №3. С. 1-9.

28.Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Измерение нестационарных тепловых потоков градиентными датчиками на основе анизотропных монокристаллов висмута// ЖТФ. 2004. Т.74. №7. С. 114 -120.

29. Application of Gradient Heat Flux Sensor in Shock Tube Experiments. Bobashev, S.V., Mende, N.P., Sakharov V.A., Mitiakov V.Y. 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 10 - 13 Jan 2005. Reno, Nevada.

Подписано в печать 49 М Формат 60x84/16. Печать офсешая Уч. печ. п.с?,Л'. Тираж . Заказ 43

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Пегербург, Политехническая, 29.

01 ty

167

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора технических наук, Митяков, Владимир Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

1. ГРАДИЕНТНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА.

1.1. Измерение теплового потока.

1.2. Датчики типа вспомогательной стенки.

1.3. ГДТП на основе висмута.

1.4. Преобразование сигнала ГДТП.

1.5. Современные ДТП.

1.6. Основные результаты главы 1.

2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГДТП.

2.1. Нестационарная теплометрия.

2.2. Экспериментальное исследование динамики ГДТП.

2.3. Тепловая модель ГДТП.

2.4. ДТП различных типов в нестационарной теплометрии.

2.5. Основные результаты главы 2.

3. ГРАДИЕНТНАЯ ТЕПЛОМЕТРИЯ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ТЕПЛООБМЕНА.

3.1. Теплообмен при поперечном обтекании цилиндра.

3.2. Теплообмен на плоских поверхностях с турбулизаторами.

3.3. Свободно-конвективный теплообмен на вертикальной пластине.

3.4. Теплообмен в ударной трубе.

3.5. Основные результаты главы 3.

4. ПРИКЛАДНЫЕ РАЗРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАДИЕНТНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА.

4.1. Чувствительный элемент для систем контроля облучения.

4.2. Опыт применения ГДТП для теплометрии на рабочей поверхности крышки цилиндра ДВС.

4.3. Теплообмен в вертикальных трубах хранилища делящихся материалов.

4.4. Основные результаты главы 4.

5. ГДТП В ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ, РАСХОДА, КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ТРЕНИЯ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И

ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ.

5.1. Градиентная термометрия.

5.2. Корреляционная расходометрия и индикация движения жидкости.

5.3. ГДТП в измерении касательных напряжений трения.

5.4. Измерение теплофизических характеристик материалов и степени черноты поверхностей.

5.5. Измерение параметров электрических цепей.

5.6. Основные результаты главы 5.

Введение диссертация по физике, на тему "Возможности градиентных датчиков теплового потока на основе висмута в теплотехническом эксперименте"

Современный натурный эксперимент составляет, наряду с экспериментом численным, основу всех теплотехнических исследований и широко используется в промышленности и иных областях человеческой деятельности. Развитие теории, методологии и техники натурного теплотехнического эксперимента связано, в первую очередь, с тем, что цифровая технология обработки сигнала стала на рубеже веков основной и почти вытеснила технологию аналоговую. При этом визуализацию, архивирование, учет индивидуальных градуировок, математическую обработку результатов обеспечивает именно преобразовательная техника, а датчики измеряемых величин остались в основном прежними.

Разрыв в техническом уровне между датчиками и преобразующим их <щ < сигналы цифровым трактом постоянно возрастает. В то же время ясно, что на пути развития цифровых технологий остаются следующие препятствия:

1. Многие параметры (коэффициент теплоотдачи, скорость движения среды, плотность теплового потока и т.д.) получают преимущественно расчетным путем, причем точность расчета не всегда удовлетворительна.

Термин «теплотехнические измерения» чаще всего объединяет измерения температуры, скорости потока, расхода рабочего тела, перепада давлений и других величин, имеющих отношение к теплообмену. Тепловой поток — средний или местный — измеряют в десятки и сотни раз реже, чем т температуру. Это, в первую очередь, связано с отсутствием или редкостью надежных, дешевых, а потому распространенных и привлекательных для экспериментатора датчиков теплового потока.

Конечно, применение любых датчиков не меняет фундаментальных физических законов, проявляющих себя повсеместно и независимо от возможности аппаратуры. Однако «новая» измеряемая величина не только даёт новую информацию, но и формирует новый взгляд на природу явления, а нередко и на его количественные параметры.

Предметом наших исследований стали датчики теплового потока, впервые предложенные и сконструированные для демонстрационных физических экспериментов Н.П. Дивиным [27]. Помимо задач теплометрии, эти датчики (названные градиентными [71, 73, 97]) удалось применить для определения температуры, расхода жидкости, касательных напряжений трения, теплофизических характеристик материалов, степени черноты поверхностей, параметров электрических цепей.

Поскольку градиентные датчики теплового потока (ГДТП) существенно превосходят по быстродействию все известные аналоги, они являются удобным, а иногда единственным инструментом как в нестационарной теплометрии, так и при определении других существенно нестационарных параметров.

Цель и задачи работы. Предлагается сделать ГДТП и датчики на его основе многофункциональными измерительными преобразователями для широкого круга теплотехнических и теплофизических экспериментов. Основными задачами при этом являются:

1. Анализ возможностей ГДТП в сравнении с лучшими современными аналогами.

2. Исследование динамических характеристик ГДТП.

5. Построение расчетных схем, создание макетов и действующих образцов аппаратуры для использования ГДТП в нетрадиционном качестве — для измерения температуры, расхода жидкости, касательных напряжений трения и т.п.

Предметом исследования являются ГДТП, выполненные на основе монокристаллического анизотропного висмута чистоты 0,9999, а также датчики, измерительные зонды и другая аппаратура, в которых ГДТП являются неотъемлемой частью. Кроме того, предметом исследования являются физические процессы, параметры которых определены (в ряде случаев впервые) с помощью ГДТП и устройств на их основе.

Методы исследования включают натурный теплотехнический и теплофизический эксперимент с использованием ГДТП, аналитические расчеты и численное моделирование тепловых процессов. В работе использованы современные цифровые технологии обработки сигналов ГДТП, а также некоторые вспомогательные приемы из смежных областей (метрологии, теории электрических измерений и т.д.).

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые комплексно исследованы динамические характеристики ГДТП и впервые экспериментально зарегистрированы пульсационные характеристики теплового потока при вынужденном конвективном теплообмене вблизи изотермической поверхности, а также на вертикальной пластине с электрообогревом; определены плотности теплового потока в ударных трубах, на огневых поверхностях камеры сгорания дизельных двигателей и др. Предложены новые пути использования ГДТП для определения температуры, расхода, касательных напряжений трения, теплофизических и радиационных характеристик, а также параметров электрических цепей.

Практическая ценность работы определяется как тем, что ГДТП позволяют существенно расширить возможности нестационарной теплометрии, так и тем, что использование ГДТП и аппаратуры на их основе открывает путь к комплексному и «экономному» (по числу каналов связи) теплофизическому, теплотехническому и иному эксперименту. Представляют самостоятельную ценность конструкции датчиков и приборов, созданных при выполнении работы и апробированных в условиях натурного эксперимента.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования динамических характеристик ГДТП: независимость постоянной времени от толщины датчика, впервые определены значения постоянной времени ГДТП, модели тепловых процессов в ГДТП при нестационарных тепловых воздействиях.

2. Данные о средних и местных коэффициентах теплоотдачи и плотностях теплового потока при теплообмене на поверхности поперечно обтекаемого цилиндра (гладкой и с турбулизаторами), облуненных поверхностях, траншеях, кавернах, протяженных вертикальных пластинах, поверхностях, подвергающихся радиационному нагреву, поверхностях камер сгорания дизельного двигателя и ударных труб, а также установленные в ходе этих исследований качественные показатели (интенсификация теплообмена, наличие застойных зон, характер пульсаций теплового потока и т.п.).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, пяти глав, заключения и списка использованной литературы.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

Основные результаты работы сводятся к следующему:

2. Определены связи между характеристиками ГДТП, плотностью измеряемого теплового потока и возможностями современных цифровых технологий.

3. Показано, что инерционность ГДТП не зависит от их толщины и определяется процессами в поверхностном слое анизотропной среды. Установлено, что значение постоянной времени ГДТП не превышает 10"9.10"8 с.

4. Подтверждена экспериментально пригодность и эффективность ГДТП в исследовании конвективного теплообмена, включая измерение частотных характеристик. С помощью ГДТП удается подобрать в ходе экспериментов рациональное расположение турбулизаторов (например, на поперечно-обтекаемом цилиндре).

5. Исследованы параметры местного теплообмена на поверхности и в окрестностях сферической и асимметричной лунки, цилиндрической и трапециевидной каверны. Результаты сопоставлены с данными численного моделирования.

6. Исследована теплоотдача при свободно-конвективном движении жидкости вдоль протяженных вертикальных пластин. Установлены корреляции данных теплометрии с применением ГДТП и традиционных методов термометрии и термоанемометрии.

7. Измерена плотность теплового потока на внутренних поверхностях ударных труб, работающих на воздухе и на ксеноне. Установлено различие в механизме теплообмена на цилиндрической и торцевой поверхности ударной трубы. Показано, что воздействие внешнего магнитного импульса повышает поток на стенке в 5.7 раз, причем напряженность поля уровня 1,5 Тл не влияет на показания ГДТП.

8. Разработан чувствительный элемент, в котором ГДТП выступают в качестве индикаторов облучения и формируют электрический сигнал, не требующий дальнейшего усиления. Предложена модель, позволяющая конструировать и градуировать чувствительные элементы этого типа для различных условий эксплуатации.

10. Накоплен опыт использования ГДТП в крупномасштабном эксперименте, связанном с изучением теплообмена в хранилище делящихся материалов.

11. Предложено использовать ГДТП для измерения температуры как в традиционном варианте термометра сопротивления, так и по «пассивной схеме», исключающей потребность во внешнем источнике электрического тока.

13. Разработано и исследовано устройство для корреляционного измерения расхода методом тепловой метки, в котором применение ГДТП обеспечило измерение малых — вплоть до капельных — расходов. Создан новый индикатор движения жидкости.

14. Предложено использовать ГДТП для определения теплофизических характеристик материалов в рамках традиционного подхода. Испытан новый метод исследования теплофизических характеристик, не требующий точного поддержания граничных условий. Показано, как бесконтактно измерять степень черноты поверхности с помощью ГДТП, установленного на зонде.

15. Обоснованы возможности джоуль-ленцевой схемы измерения мощности в электрических цепях. Предлагаемый подход исключает несанкционированное вмешательство в учет энергии, обеспечивает мониторинг одновременно нескольких параметров электрических цепей переменного тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора технических наук, Митяков, Владимир Юрьевич, Санкт-Петербург

1. Акатнов, Н.И. и др. Исследование на ударной трубе с соплом сверхзвуковых МГД каналов на неравновесной плазме инертного газа / Н.И. Акатнов и др. // Журнал технической физики. 1982. Т.52. Вып. 5. С. 884-892.

2. Акылбаев, Ж.С., Исатаев, С.И., Пользик, В.В. Срыв вихрей с поверхности плохообтекаемых тел и его влияние на теплообмен / Ж.С. Акылбаев, С.И. Исатаев, В.В. Пользик // Тепло и массоперенос. 1972. Т.1. Ч 1.С.291-295.

3. Аморфные и поликристаллические полупроводники / В. Хейванг, У. Биркхольц, Р. Айнцингер и др.; Ред.: В. Хейванга. М.: Мир, 1987. 160 с.

4. Анатычук, Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник / Л.И. Анатычук. Киев: Наукова думка, 1979. 768 с.

5. Анатычук, Л.И. Полупроводники в экстремальных температурных условиях / Л.И. Анатычук, Л.П. Булат. СПб.: Наука, 2001. 224 с.

6. Арефьев, К.М. Квантовая механика в расчетах переноса паров металлов в газах / К.М.Арефьев, М.А.Гусева, Н.Б.Балашова; Ленингр.гос.техн.ун-т. — Л.: ЛГУ, 1990. 215 с.fb

7. А.с. № 230915. Термоэлемент / И.М. Пилат, А.Г. Самойлович, Л.И. Анатычук (СССР). Опубл. 13.09.69.

8. Афанасьев, В.Н., Веселкин, В.Ю., Леонтьев, А.И. Гидродинамика и теплообмен при обтекании одиночных углублений на исходно гладкой поверхности. Препринт № 2-91. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1991. Ч. 1. 6 с.

9. Бабинский, М.Г. и др. Некоторые аэродинамические исследования в гиперзвуковой ударной трубе ЛПИ / М.Г. Бабинский и др. // Механика и машиностроение. Труды ЛПИ. 1976. №352. С. 100104.

10. Бирюков, Б.В. Точные измерения расхода жидкостей / Б.В. Бирюков, Б.В. Романов, М.А. Данилов, С.С. Кивилис. М.: Машиностроение, 1977. 144 с.

11. Блатт, Ф.Дж. Термоэлектродвижущая сила металлов / Ф.Дж. Блатт, П.А. Шредер; Ред. Д.К. Белащенко. М.: Металлургия, 1980. 248 с.

12. Бриндли, К. Измерительные преобразователи: Справ, пособие / К. Бриндли. М.: Энергоатомиздат, 1991. 144 с.

13. Быстродействие анизотропного элемента / Грабов В.М., Дивин Н.П., Комаров В.А. и др. // Термоэлектрики и их применение. Сб. тр. ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. СПб, 2002.

14. Ван дер Зил, А. Шумы при измерениях / А.Ван дер Зил М.: Мир, 1979. 294 с.

15. Видинеев, Ю.Д. Автоматическое непрерывное дозирование газов / Ю.Д. Видинеев. М. Энергия, 1971. 88 с.

16. Возможности градиентных датчиков при исследовании процессов в ударных трубах / Бобашев С.В., Менде Н.П., Сахаров В.А. и др. // XXVII Сибирский теплофизический семинар: Сб. тр. Новосибирск, 2004.

17. Гаджиев, С.Н. Бомбовая калориметрия / С.Н. Гаджиев. М.: Химия, 1988. 192 с.

18. Гёлль, П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс / П. Гёлль. М.: ДМК, 1999. 144 с.

19. Геращенко, О.А. Основы теплометрии / О.А.Геращенко. Киев: Наукова думка, 1971. 192 с.

20. Гидродинамика и теплообмен при обтекании одиночных углублений на исходно гладкой поверхности / В.Н. Афанасьев, В.Ю. Веселкин, А.И. Леонтьев и др. М.: МГТУ, 1991. Ч. 2. 140 с.

21. ГОСТ 7.80-2000. Библиографическая запись. Заголовок: общие требования и правила составления. Минск, 2000. III, 8 с.

22. Григорьев, Б.А. Импульсный нагрев излучениями. Нестационарные температурные поля при импульсном лучистом нагреве / Б.А. Григорьев. М.: Наука, 1974. Ч. 2. 728 с.

23. Григорьев, Б.А. Импульсный нагрев излучениями: Характеристики импульсного облучения и лучистого нагрева / Б.А. Григорьев. М.: Наука, 1974. Ч. 1.320 с.

24. Гуревич, Э.И. Переходные тепловые процессы в электрических машинах / Э.И. Гуревич, Ю.Л. Рыбин. Л.: Энергоатомиздат. 1983. 216 с.

25. Дивин, Н.П. Датчик теплового потока. Свидетельство на полезную модель № 9959 с приоритетом от 10.08.1998 г. Российское агентство по патентам и товарным знакам. 16.05.99. Бюллетень «Полезные модели». №5.

26. Дрейцер, Г.А. Критический анализ современных достижений в J области интенсификации теплообмена в каналах / Г.А. Дрейцер //

27. Вторая российская национальная конференция по теплообмену. М.: МЭИ, 1998. Т.6.С. 91-98.

28. Дульнев, Г.Н. Теплопроводность смесей и композиционных материалов: Справочная книга / Т.Н. Дульнев, Ю.П. Заричняк. JL: Энергия, 1974. 264 с.

29. Дьяконов, В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке ^ Бейсик для персональных ЭВМ / В.П. Дьяконов. М.: Наука, 1987.240 с.

30. Жилин, Ю.В. Методика измерения стационарных тепловых потоков с помощью пленочных датчиков сопротивления. ИВТАН. Препринт №2-005, 1976. 25 с.

31. Жукаускас, А.А. Конвективный перенос в теплообменниках / А.А. Жукаускас. М.: Наука, 1982. 472 с.

32. Иванов, Г.А., Колосов, Г.Д. Электрические свойства чистого висмута и его сплавов с оловом в широком температурном интервале / Г.А. Иванов, Г.Д. Колосов // Вопросы кристаллизации и физики твердого тела: Уч. зап. Л.,1965. С.205 — 213.

33. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик. М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

34. Измерение теплового потока на внутренних стенках канала ударной трубы / Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. и др. // Письма в ЖТФ, 2004. Вып.2. С.76-80.

35. Измерения в промышленности: Справ, изд. в 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура / Ред. П. Профоса. М.: Металлургия, 1990. 384 с.

36. Ильинский, В.М. Бесконтактное измерение расходов / В.М. Ильинский. М.: Энергия, 1970. 112 с.

37. Интенсификация смерчевого турбулентного теплообмена в асимметричных лунках на плоской стенке/ Исаев С.А., Леонтьев А.И., Пышный И.А. и др. // Инженерно-физический журнал. 2003. Т.76. №2.С. 31-34.

38. Иорданишвили, Е.К. Нестационарные процессы в термоэлектрических и термомагнитных системах преобразования энергии / Е.К. Иорданишвили, В.П. Бабин. М.: Наука, 1983. 216 с.

39. Исаев, С.А. Местные коэффициенты теплоотдачи на поверхности вытянутой лунки / С.А. Исаев, А.И. Леонтьев, А.В. Митяков,

40. B.Ю. Митяков, С.З. Сапожников // Труды третьей российской национальной конференции по теплообмену. Т.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М.: МЭИ. 2002.1. C.214 218.

41. Исследование нестационарного тепло- и массообмена: Сб. науч. тр. / Минск: Наука и техника, 1966. 252 с.

42. Кавтарадзе, Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учеб. пособие / Р.З. Кавтарадзе. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 592 с.

43. Карелоу, Г. Теплопроводность твердых тел \ Г. Карслоу, Д. Егер. М.: Наука, 1964. 488 с.

44. Карташов, Э.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел: Учеб. пособие для вузов / Э.М. Карташов. М.: Высшая школа, 1979.415 с.

45. Каханович, B.C. Измерение расхода вещества и тепла при переменных параметрах / B.C. Каханович. М.: Энергия, 1970. 168 с.

46. Кикнадзе, Г.И., Олейников, В.Г. Самоорганизация смерчеобразных ) вихревых структур в потоках газов и жидкостей и интенсификациятепло- и массообмена: Препринт № 227-90. Институт теплофизики СО АН СССР. Новосибирск, 1990. 46 с.

47. Китанин, Э.Л. Решение задач теплопроводности с помощью ЭВМ: Учеб. пособие / Э.Л. Китанин, A.M. Тарасенко. Л.: ЛПИ, 1989. 52 с.

48. Конвективный теплообмен при обтекании поверхности со сферическими лунками: Учеб. пособие / М.Я. Беленький, М.Е. Лебедев, Б.С. Фокин. СПб.: СПбГТУ, 1996. 24 с.

49. Корнилов, В.И., Литвиненко, Ю.А. Сравнительный анализ методов измерений поверхностного трения в несжимаемом градиентном турбулентном пограничном слое. Препринт №1. Институт теорет. и прикл. механики. Сиб. отд. РАН. Новосибирск. 2001. 44 с.

50. Ф 51. Коротков, П.А. Тепловые расходомеры \ П.А. Короткое, Д.В. Беляев,

51. Р.К. Азимов. Л.: Машиностроение, 1969. 176 с.

52. Коротков, П.А. Динамические контактные измерения тепловых величин / П.А. Коротков, Г.Е. Лондон. Л.: Машиностроение, 1974. 224 с.

53. Костин, А.К. Работа дизелей в условиях эксплуатации: Справочник / А.К. Костин, Б.П. Пугачев, Ю.Ю. Кочинев; Ред.: А.К. Костина. Л.: Машиностроение. 1989. 284 с.

54. Кошкин, В.К. Нестационарный теплообмен / В.К. Кошкин, Э.К.Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо. М.: Машиностроение, 1973. 328 с.

55. Кремлевский, П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник / П.П. Кремлевский. Л.: Машиностроение, 1989. 701 с.

56. Кузьмицкий, О.А., Чумаков, Ю.С. Структура температурного поля в свободноконвективном пограничном слое около вертикальной изотермической поверхности / О.А. Кузьмицкий, Ю.С. Чумаков // Теплофизика высоких температур. 1990. Т.28. №6. С. 1142-1148.

57. Кутателадзе, С.С. Пристенная турбулентность / С.С. Кутателадзе. Новосибирск: Наука, 1973. 228 с.

58. Кутателадзе, С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособи / С.С. Кутателадзе. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

59. Левин, В.М. Расходомеры малых расходов для схем промышленной автоматики / В.М. Левин. М.: Энергия, 1972. 72 с.

60. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. М.: Наука, 1987. 840 с.

61. Лыков, А.В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.

62. Мак-Доналд, Д. Введение в физику шумов и флуктуаций / Д. Мак-Доналд. М.: Мир, 1964. 158 с.

63. Масленников, В.Г., Сахаров, В.А. Двухдиафрагменная ударная труба Физико-технического института / В.Г. Масленников, В.А. Сахаров // Журнал технической физики. 1997. Т. 67. № 11. С. 8895.

64. Маякин, В.П. Электронные системы для автоматизированного измерения характеристик потоков жидкостей и газов / В.П. Маякин, Э.Г. Донченко. М.: Энергия, 1970. 88 с.

65. Мелихова, Н.М. Исследование сопряженного теплообмена вг замкнутом объеме в условиях свободной и смешанной конвекции:

66. Автореф. дис. канд. физ-мат. наук. Л., 1989. 20 с.

67. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. Ред.: А.В. Лыкова. М.: Энергия, 1973. 336 с.

68. Митяков, А.В. Градиентные датчики теплового потока в нестационарной теплометрии: Дис. канд. техн. наук / СПбГТУ.СПб, 2000. 134 с.

69. Митяков, А.В. Математическая модель чувствительного элемента для детектора излучения / А.В. Митяков // Вестник молодых ученых. Серия: Технические науки. 1999. №1. С. 75-80.

70. Митяков, А.В., Митяков, В.Ю., Сапожников, С.З. Градиентные датчики в нестационарной теплометрии процессов / А.В. Митяков,fl' В.Ю. Митяков, С.З. Сапожников // XIII Школа-семинар молодыхученых и специалистов.2003. Т.1. С. 127-130.

71. Митяков, А.В., Митяков, В.Ю., Сапожников, С.З. Градиентные датчики теплового потока в корреляционной расходометрии / А.В. Митяков, В.Ю. Митяков, С.З. Сапожников // XIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов. 2003. Т.1. С. 417-420.

72. Митяков, В.Ю., Митяков, А.В., Сапожников, С.З. Определение радиационных и теплофизических характеристик материалов методами градиентной теплометрии / В.Ю. Митяков, А.В. Митяков,

73. С.З. Сапожников // XXVI Сибирский теплофизический семинар: Тр.

74. Института теплофизики СО РАН. Новосибирск. 2002.

75. Митяков, В.Ю., Митяков, А.В., Сапожников, С.З., Чумаков, Ю.С.1. Jy,г Использование поперечного эффекта Зеебека для измерениямгновенного значения теплового потока на вертикальной нагретой поверхности в условиях свободно-конвективного теплообмена /

76. B.Ю. Митяков, А.В. Митяков, С.З. Сапожников, Ю.С. Чумаков // ТВТ. 2002. Т.40. №4. С. 669 674.

77. Михеев, Н.И. Пространственно-вихревая структура турбулентных отрывных течений: Автореф. дис. док. техн. наук / КГТУ им.

78. A.Н.Туполева. Казань, 1998. 44 с.

79. Никольская, С.Б., Чумаков, Ю.С. Экспериментальное исследование пульсационного движения в свободно-конвективном пограничном слое / С .Б. Никольская, Ю.С. Чумаков // ТВТ. 2000. Т.38. № 2.1. С. 249-256.

80. Новые теплометрические приборы для исследования лучистого теплообмена / Геращенко О.А., Грищенко Т.Г., Русаков С.С. и др. // Теплообмен, 1978: Сб. науч. тр. М.: Наука, 1980. С. 389-394.

81. Обработка экспериментальных данных: Учеб. пособие / Б.Д. Агапьев,

82. B.Н. Белов, Ф.П. Кесаманлы и др. СПб.: СПбГТУ, 1999. 84 с.

83. Ока, С. Теплообмен одиночного цилиндра при различных условиях обтекания / С. Ока // Проблемы теплофизики и физической гидродинамики: Сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 1974. С.47-71.

84. Олейник, Б.Н. Точная калориметрия / Б.Н. Олейник. — 2-е изд. М.: Издательство стандартов, 1973. 208 с.

85. Ордин, С.В. Приемник излучения. Заявка № 93036965/25 от 20.03.1996. Российское агентство по патентам и товарным знакам.

86. Ордин, С.В., Шелых, А.И. Электронное отражение и зонная структура высшего силицида марганца / С.В. Ордин, А.И. Шелых // Термоэлектрики и их применение: Тр. ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2002.

87. Петриченко, P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания: Учеб. пособие / P.M. Петриченко. Л. 1983. 244 с.

88. Пехович, А.И. Расчеты теплового режима твердых тел / А.И. Пехович, В.М. Жидких. Л.: Энергия, 1976. 352 с.

89. Пилат, И.М., Ветошников, B.C., Хохлачев, К.И. Термоэлектрический приемник излучения на анизотропных элементах / И.М. Пилат, B.C. Ветошников, К.И. Хохлачев // Тепловые приемники излучения. Л., 1974. С. 2-7.

90. Практикум по теплопередаче: Учеб. пособие для вузов / А.П. Солодов, Ф.Ф. Цветков и др.; Ред.: А.П. Солодова. М.: Энергоатомиздат, 1986. 296 с.

91. Прандтль, Л. Гидро- и аэромеханика / Л. Прандтль, О. Титьенс. М.-Л.: ОНТИ НКТП, 1935. Т 2. 311 с.

92. Применение градиентного датчика теплового потока в экспериментах на ударной трубе / Бобашев С.В., Менде Н.П., Сахаров В.А. и др. // Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений. Москва, ЦАГИ2004. С.389 391.

93. Розенблит, Г.Б. Теплопередача в дизелях / Г.Б. Розенблит. М.: Машиностроение, 1977. 216 с.

94. Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения \ Дж. Рэди М.: Мир, 1974. 234 с.

95. Сапожников, С.З. Комплексное определение теплофизических характеристик гетерогенных материалов неразрушающими методами: Автореф. дис. канд. техн. наук / Харьков, 1977. 25 с.

96. Сапожников, С.З., Митяков, А.В., Митяков, В.Ю. Динамические характеристики ГДТП / С.З. Сапожников, А.В. Митяков, В.Ю. Митяков // Тр. XXVII Сибирского теплофизического семинара. Институт теплофизики СО РАН. Новосибирск, 2004.

97. Сапожников, С.З., Митяков, А.В., Митяков, В.Ю. Математическая модель и экспериментальное исследование датчика излучения в оптическом диапазоне длин волн / С.З. Сапожников, А.В. Митяков,

98. B.Ю. Митяков // Наука Кубани. Проблемы физико-математического моделирования. Естественные и технические науки. 1998. №2.1. C. 17-21.

99. Сапожников, С.З. Градиентные датчики теплового потока / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, А.В. Митяков. СПб.: СПбГПУ, 2003. 169 с.

100. Сапожников, С.З., Митяков, В.Ю., Митяков, А.В. Возможности градиентной теплометрии при изучении локального теплообмена в камерах сгорания ДВС / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков,

101. A.В. Митяков // Тр. Третьей российской национальной конференции по теплообмену. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М.: МЭИ, 2002. T.l. С.214-218.

102. Сапожников, С.З., Митяков, В.Ю., Митяков, А.В. Градиентные датчики теплового потока в теплофизическом эксперименте / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, А.В. Митяков // ТВТ. 2004. Т.42. №3. С.1 -9.

103. Сапожников, С.З., Митяков, В.Ю., Митяков, А.В. Измерение нестационарных тепловых потоков градиентными датчиками на основе анизотропных монокристаллов висмута / С.З. Сапожников,

104. B.Ю. Митяков, А.В. Митяков // ЖТФ. 2004. Т.74. №7. С.114 -120.

105. Сапожников, С.З., Митяков, В.Ю., Митяков, А.В. Локальный теплообмен при вынужденной конвекции в сферической лунке /

106. C.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, А.В. Митяков // IV Минский международный форум по тепломассообмену. Минск, 2000. С.479-482.

107. Сапожников, С.З., Митяков, В.Ю., Митяков, А.В. Теплометрия в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с использованием градиентных датчиков теплового потока / С.З. Сапожников,

108. B.Ю. Митяков, А.В. Митяков // Известия высших учебных заведений и энергетических СНГ. Энергетика, 1997. №9-10. С. 53-57.

109. Сапожников, С.З., Митяков, В.Ю., Митяков, А.В., Теплометрия в энергетике и экологии: использование градиентных датчиков /

110. C.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, А.В. Митяков // Фундаментальные исследования в технических университетах. СПб.: СПбГТУ, 1998. С. 192.

111. Семенов, Б.Н. Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности / Б.Н. Семенов, Е.П. Павлов, В.П. Копцев. JL: Машиностроение, 1990. 240 с.

112. Сергеев, О.А. Метрологические основы теплофизических измерений \ О.А. Сергеев. М.: Издательство стандартов, 1972. 154 с.

113. Современное состояние гидродинамики вязкой жидкости / Ред.: С. Гольдштейна. М.: Ил. Т.2. 1948. 408 с.

114. Стрелец, М.Х. Метод моделирования отсоединенных вихрей и его применение для расчета отрывных турбулентных течений / М.Х. Стрелец // XIII Школа-семинар молодых ученых и специалистов. М.: МЭИ, 2001. Т.1, С. 9-20.

115. Теория и техника теплофизического эксперимента: Учеб. пособие для вузов / Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников и др.; Ред.: В.К. Щукина. М.: Энергоатомиздат, 1985. 360 с.

116. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / А.С. Орлин, Д.Н. Вырубов, В.И. Ивин и др.; Ред.: А.С. Орлина. М.: Машиностроение, 1971. 400 с.

117. Теплопроводность твердых тел: Справочник / Ред.: А.С. Охотина. М.: Энергоатомиздат, 1984. 320 с.

118. Топливораспределительный насос типа VE: Техническое описание. BOSCH GmbH, 1981.68 с.

119. Турбулентность. Принципы и применение / Ред.: У. Фроста, Т. Моулдена. М.: Мир, 1980. 536 с.

120. Управление обтеканием тел с вихревыми ячейками в приложении к летательным аппаратам интегральной компоновки (численное и физическое моделирование) / Ред.: А.В. Ермишина и С.А. Исаева. СПб. 2001.360 с.

121. Физическое и численное моделирование вихревого теплообмена при турбулентном обтекании сферической лунки на плоскости / Баранов П.А., Исаев С.А., Леонтьев А.И., Сапожников С.З. и др. // Теплофизика и аэромеханика. 2002. Т.9. №4. С. 521-532.

122. Филиппов, И.Ф. Теплообмен в электрических машинах / И.Ф. Филиппов. Д.: Энергоатомиздат, 1986. 256 с.

123. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / К. Флетчер. М.: Мир, 1991. ТЛ. 504 с.

124. Харламов, А.Г. Измерение теплопроводности твердых тел / А.Г. Харламов. М.: Атомиздат, 1973. 152 с.

125. Чжен, П. Отрывные течения / П. Чжен. М.: Мир, 1973. Т.1-3.

126. Чжен, П. Управление отрывом потока / П. Чжен. М.: Мир, 1979. 552 с.

127. Численное моделирование отрывного течения несжимаемой вязкой жидкости в квадратной и кубической кавернах с подвижной границей / С.А. Исаев, П.А. Баранов, Н.Н. Лучко и др. Минск, 1999. 47 с.

128. Чопра, К. Электрические явления в тонких пленках / К. Чопра. М.: Мир, 1972. 435 с.

129. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. М.: Наука, 1969. 744 с.

130. Экспериментальные исследования пристенных турбулентных течений / С.С. Кутателадзе, Б.П. Миронов, В.Е. Накоряков, Е.М. Хабахпашева. Новосибирск: Наука, 1975. 166 с.

131. Ярышев, Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур / Н.А. Ярышев. Л.: Энергия, 1967. 300 с.

132. Achenbach, Е. Distribution of local pressure and skin friction around a circular cylinder in cross-flow up to Re = 5Ш106 // J. Fluid Mech. Vol.34. 1966. P. 625-639.

133. Achenbach, E. Total and local heat transfer from a smooth circular cylinder in cross-flow at high Reynolds number // Inter. J. of Heat and Mass Transfer. 1975. Vol.18, N.l 1. P. 1387-1396.

134. Application of Gradient Heat Flux Sensor in Shock Tube Experiments. Bobashev, S.V., Mende, N.P., Sakharov V.A. 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 10—13 Jan 2005. Reno, Nevada.

135. Bellhouse, В J., Schults, D.L. Determination of mean and dynamic skin friction, separation and transition in low-speed flow with a thin-film heated element // J. Fluid Mech. Vol.24. 1966. P. 379 400.

136. Boulos, M. J., Pei, D.C.T. Dynamics of heat transfer from cylinders in a turbulent air stream // Inter. J. Heat Mass Transfer. 1974. Vol.17.1. P. 767-783.

137. Chang, B.H., Mills, A.F. Effect of aspect ratio on forced convection heat transfer from cylinders // Inter. J. Heat Mass Transfer. 2004. Vol.47. P. 1289-1296.

138. Chumakov, Y.S., Nikolskaja, S.B. Features of dynamic and heat structure of free convection boundaiy layer near vertical heated surface // Turbulent Heat Transfer-2. Manchester. Vol.2. 1998. P. 9-19.

139. Divin, N., Sapozhnikov, S. Gradient Heat-Flux Transducers: application for heat investigations // Proceeding of International Symposium in Power Machinery. Moscow. 1995. P.79.

140. Edney, B.E. Effect of Shock Impingement on the Heat Transfer around Blunt Bodies // AIAA J. 1968. Vol. 6. № 1. P. 1521.

141. F. van der Graaf: „Heat Flux Sensors", chapter 8 of Volume 4: „Thermal Sensors" of the multivolume work „Sensors, a comprehensive series", Gopel, Ed. 1990.

142. Fage, A., Falkner, V.M. An experimental determination of the intensity of friction on the surface of an airfoil // Proc. Royal Soc. London. A129. 1930. P. 378-410.

143. Filippone, A., Advanced Topics in Aerodynamics. Aerodynamic Database. Drag levels of Fixed and Rotary Wing Aircraft. 2003.

144. Geiling, L., 1951, Das Thermoelement als Strahlungsmesser // Zschr. F. Angew. Phys., Bd. 3.12.

145. Glazkov, V.V., Zhilin, V.G., Zeigarnik, Yu.A., Ivochkin, Yu.P., Sinkevich,

146. O.A., Tsoi, V.R. Study of transition from film to nucleare boiling on a solidthhemispheric surface // 5 World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. Thessaloniki, Greece.2001. P.337-342.

147. Glazkov, V.V., Ivochkin, Yu.P., Sinkevich, O.A., Tsoi, V.R., Zeigarnik, Yu.A., Zhilin, V.G. Water boiling on higly superheated hemispherical samples // 12-th International Heat Transfer Conference. Grenoble, France.2002.

148. Handbook of fluid dynamics and fluid machinery. Vol. 2: Experimental and computational fluid dynamics / Editors, J.A. Schetz and A.E. Fuhs. John Wiley & Sons, Inc. 1996. P. 921-1590.

149. Jiang, F., Gupta, В., Tai, Y.C., Goodman, R. Measurement of instantaneous turbulent shear stress distribution by MEMS based sensors // Bull. APS. 1995. Vol.40. P. 23.

150. Jiang, F., Tai, Y.C., Но, C.M., Gupta, В., Goodman, R., Tung, S. A Surface- Micromachined Shear Stress Imager. MEMS-96. San-Diego. USA. 1996. P. 110-115.

151. Jiang, F., Tai, Y.C., Но, C.M., Li, W.J. A Micromachined polysilicon Hotwire Anemometer. Tech. Digest 1994 Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Hilton Head. USA. 1994. P.264-267.

152. Kalvesten, E. Pressure and Wall Shear Stress Sensors for Turbulence Measurements. PhD Thesis. Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 1996. 68 p.

153. Kruse, P.W., McGlauchlin, L.D., McQuistan, R.B. Elements of infrared Technology. Wiley. N.Y. 1962.

154. Lartz, D.J., Cudney, H.H., Diller, Т.Е. Heat flux measurement used for feedforward temperature control // Proc. 10th Inter. Heat Transfer Conference. Brighton. UK, 1994.Vol.2. P. 261-266.

155. Lowery, G.W., Vachon, R.I. The effect of turbulence on heat transfer from heated cylinders // Inter. J. Heat Mass Transfer. 1975. Vol.18. P. 1229-1242.

156. Maher, J., David, C. Dynamics of heat transfer from cylinders in a turbulent air stream // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1974. Vol.17. P. 767-783.

157. Mitchell J., Hanratty T. A study of turbulence of a wall using an electrochemical wall shear-stress meter. J. Fluid Mech. Vol.26. 1966. P. 625 639.

158. Mitiakov, V., Sapozhnikov, S., Mitiakov, A. Local heat transfer in the spherical cavity at the forced convection // 3-rd European Thermal Sciences Conference 2000, Heidelberg, Germany. 2000. Vol.2. P. 671-674.

159. Mitiakov, V., Sapoznikov, S., Mitiakov, A. Transient phenomena in gradient heat flux sensor // 3-rd European Thermal Sciences Conference 2000, Heidelberg, Germany. 2000. Vol.2. P. 687-690.

160. Nakamura, H., Igarashi, T. Unsteady heat transfer in separated flow behind a circular cylinder // 12-th International Heat Transfer Conference. Grenoble, France. 2002. Vol.2. P. 729-734.

161. Oudheusden, В., Huijsing, J. Integrated Flow Friction Sensor. Sensors and Actuators. 1988. A15. P.135 144.

162. Owen, F.K., Bellhouse, B.J. Skin friction measurements at supersonic speeds // AIAA J. 1970. № 8. P. 1358 1360.

163. Sapozhnikov, S.Z., Mitiakov, V.Y., Mitiakov, A.V. Heat flux sensor for heat transfer investigation// 11-th International Heat Transfer Conference. Kyongju, Korea. 1998. Vol.4. P. 77-79.

164. Schmidt, M.A., Howe, R.T., Senturia, S.D., Haritonidis, J.H. Design and calibration of microfabricated floating-element shear-stress sensor // IEEE Transactions on Electron Devices. 1988. Vol. ED-35. P.750-757.

165. Strelets, M. Detached Eddy Simulation of Massively Separated Flows // AIAA 2001-0879. 18 p.

166. Tanaka, H., Maruyama, S., Hatano, S. Combined forced and natural convection heat transfer for upward flow in a uniformly heated, vertical pipe // Inter. J. Heat Mass Transfer. 1987.Vol.30. №1. P. 165-174.

167. Terekhov, V.I., Mshvidobadze, Yu.M., Kalinina, S.V. Heat Transfer Coefficient and Aerodynamic Resistance on Surface with Single Dimple // Enhancement Heat Transfer. 1997.Vol.4. № 2. P.131-145.

168. TNO Industrial Research. Heat flux sensors catalog. 1992.