|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Экспериментальное и численное исследование нарушения аналогии Рейнольдса в пользу теплообмена в градиентных и отрывных течениях газаНИР
Experimental and numerical investigation of the Reynolds analogy violation in favor of heat tranfer in pressure gradient and separated gas flows
- Руководитель НИР: Киселёв Н.А.
- Ответственные исполнители: Макарова М.С., Попович С.С.
- Участники НИР: Здитовец А.Г.
- Подразделение: 108 Лаборатория аэродинамики больших скоростей и термогазодинамики
- Срок исполнения: 8 августа 2019 г. - 30 июня 2022 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 19-79-10213
- Номер ЦИТИС: АААА-А19-119091790061-2
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Газовая динамика и теплообмен.
- ПН России: Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
- Критическая технология России: Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 30.17.35 Тепломассоперенос
- 30.17.31 Пограничный слой
- Классификатор OECD: Техника и технологии, Термодинамика
-
Ключевые слова:
коэффициент аналогии рейнольдса, интенсификация теплообмена, коэффициент теплоотдачи, коэффициент сопротивления, прирост сопротивления, число рейнольдса, отрыв потока, градиент давления, несжимаемое течение, сжимаемое течение, число маха
incompressible fluid flow, compressible fluid flow, reynolds number, heat transfer enhancement, flow separation, drag increasing, reynolds analogy coefficient, drag coefficient, pressure gradient, heat transfer coefficient, mach number -
Описание:
Существенный прирост сопротивления по сравнению с ростом теплоотдачи при использовании большинства способов интенсификации теплообмена является острой научной проблемой современной теплофизики. Ее актуальность обусловлена потребностью в повышении теплогидравлической эффективности каналов и трактов теплообменного оборудования, энергоустановок и двигателей. Одним из наиболее распространенных критериев оценки теплогидравлической эффективности является коэффициент аналогии Рейнольдса – отношение коэффициента теплоотдачи, определяющего интенсивность теплообмена, к коэффициенту сопротивления, определяющего суммарные потери давления. В настоящее время подавляющее большинство способов повышения теплогидравлической эффективности в однофазных потоках связано с применением поверхностных (искусственные турбулизаторы) и объемных (спирали, вихревые камеры и т.п.) интенсификаторов теплообмена. При этом практически во всех случаях прирост полного сопротивления опережает интенсификацию теплообмена, то есть коэффициент аналогии Рейнольдса снижается по сравнению с течением без интенсификаторов. Несмотря на это, такие способы интенсификации теплообмена находят свое применение в задачах повышения теплогидравлической эффективности теплообменного оборудования, массогабаритные характеристики которого не имеют строгих конструкторских ограничений. Однако существует ряд ответственных приложений (авиационная техника, ракетно-космическая техника, элементы турбомашин и пр.), где дальнейший рост сопротивления в каналах и трактах недопустим. В этих приложениях возникает необходимость в способах интенсификации, обеспечивающих опережающий рост теплообмена, поскольку только они могут привести к суммарному положительному эффекту. Такие способы существуют. К ним относятся: организация течения с положительным градиентом давления, использование вихреобразующего рельефа, формирование локальных отрывов пограничного слоя. Несмотря на достаточную известность отмеченных воздействий, результаты опубликованных исследований носят весьма противоречивый характер. Например, в одних работах отмечается падение коэффициентов теплоотдачи при уменьшении коэффициента сопротивления, в других – неизменность или увеличение коэффициента теплоотдачи при сохранении величины коэффициента сопротивления. Поэтому существует необходимость в проведении тщательных экспериментальных и сопряженных с ними численных исследований процессов переноса теплоты и импульса в течениях сжимаемого и несжимаемого газа с градиентом давления и/или отрывом пограничного слоя, которые позволят получить достоверные данные о возможности повышения коэффициента аналогии Рейнольдса. Новизна исследований определяется комплексностью предлагаемого подхода, сочетающего экспериментальные и сопряженные с ними численные исследования процессов переноса теплоты и импульса, варьирование в широком диапазоне режимных параметров и использование современных методов исследований, обеспечивающих достоверность полученных данных. Это стало возможным в связи с существенным прогрессом в области методов физического эксперимента и численного моделирования, и, как результат, с возможностью получения более подробной информации об исследуемых явлениях. Данный подход позволит устранить имеющиеся противоречия в опубликованных данных по изменению коэффициента аналогии Рейнольдса в градиентных и отрывных течениях, предложить рекомендации по увеличению теплогидравлической эффективности существующих способов интенсификации теплообмена.
-
Abstract:
A significant increase in drag compared with an increase in heat transfer with the use of most common methods of heat transfer enhancement is an important scientific problem of modern thermal physics. Its relevance is due to the need to improve the thermal-hydraulic efficiency of the channels of heat exchangers, power plants and engines. One of the most common criteria for evaluating thermal-hydraulic efficiency is the Reynolds analogy coefficient — the ratio of the heat transfer coefficient, which determines the intensity of heat transfer, to the drag coefficient, which determines the total pressure loss. Currently, most common methods of increasing the thermal-hydraulic efficiency in single-phase flows are associated with the use of surface (artificial turbulizers) and volumetric (spirals, vortex chambers, etc.) heat transfer intensifiers. At the same time, in almost all cases, the increase in the total drag is ahead of the heat transfer enhancement, that is, the Reynolds analogy coefficient decreases in comparison with the one without intensifiers. Despite this, such methods of heat transfer enhancement find their application in the problems of increasing the thermal-hydraulic efficiency of heat exchange equipment, the weight and size characteristics of which do not have strict design limitations. However, there are a number of responsible applications (aviation technology, rocket and space technology, elements of turbomachines, etc.), where further growth of drag in channels is unacceptable. In these applications, there is a need for heat transfer enhancement methods that provide advance growth of heat transfer, since only such methods can lead to an overall positive effect. Such methods exist. For example: flow organization with a positive pressure gradient, the use of a vortex-induced surfaces, the formation of local boundary layer separation regions. Despite the well-known effects noted, the results of published papers are very controversial. For example, in some works a decrease in heat transfer coefficients is observed with a decrease in the drag coefficient, in others - a constant or an increased heat transfer coefficient while maintaining the value of the drag coefficient. Therefore, there is a need for thorough experimental and related numerical studies of the processes of heat and momentum transfer in compressible and incompressible gas flows with a pressure gradient and / or boundary layer separation, which will allow to obtain reliable data on the possibility of Reynolds analogy coefficient increasing. The novelty of the research is determined by the complexity of the proposed approach, combining experimental and related numerical studies of the processes of heat and momentum transfer, variation in a wide range of regime parameters and the use of modern research methods that ensure the reliability of the data obtained. Such results became possible due to significant progress in the field of methods of physical experiment and numerical simulation, and, as a result, with the possibility of obtaining more detailed information about the phenomena studied. This approach will eliminate the inconsistencies in the published data on changes in the Reynolds analogy coefficient in pressure gradient and separated flows, and offer recommendations for increasing the thermal-hydraulic efficiency of existing methods of heat transfer enhancement.
-
Планируемые результаты:
В результате проведенных исследований будут получены новые данные экспериментальных и сопряженных с ними численных исследований процессов переноса теплоты и импульса в течениях сжимаемого и несжимаемого газа с градиентом давления и/или отрывом потока. Будет установлено влияние градиента давления и/или отрыва потока на коэффициент аналогии Рейнольдса. На основе проведенных исследований будут выявлены режимы течения с максимальной теплогидравлической эффективностью. Решение поставленных задач позволит сформулировать рекомендации по повышению энергоэффективности теплообменных аппаратов, теплозащитных систем, устройств безмашинного энергоразделения. Все запланированные исследования являются оригинальными, а используемые методы физического эксперимента (диагностическое оборудование, обработка полученной информации и т.п.) и численные методы соответствуют мировому уровню. Полученные результаты будут опубликованы в ведущих рецензируемых отечественных и международных научных журналах.
-
Научный задел:
Авторами проекта получен ряд результатов по тепломассообмену в элементах энергетического оборудования, изучению способов теплозащиты стенок, управлению пограничным слоем, вихревым и отрывным течениям, сверхзвуковым течениям со сложными граничными условиями, использованию интенсификаторов теплообмена, эффекту газодинамического энергоразделения потоков. Создана материально-техническая база, отработаны методики для проведения экспериментальных и численных исследований, позволяющие ставить новые задачи и проводить исследования на мировом уровне в области газовой динамики и тепломассообмена. Коллектив авторов проекта имеет опыт создания автоматизированных экспериментальных комплексов, позволяющих проводить измерения с высокой частотой и точностью. Разработаны и активно используются оригинальные экспериментальные методики: налаженная и многократно проверенная методика проведения экспериментального исследования процессов переноса теплоты и импульса в до- и сверхзвуковых турбулентных потоках как на установившемся, так и на нестационарном режиме; метод экспериментального определения локальных значений коэффициентов теплоотдачи на теплообменных поверхностях; метод экспериментального определения фактора аналогии Рейнольдса, а именно: одновременного измерения значений осредненных по поверхности коэффициентов теплоотдачи и сопротивления как для рельефной, так и для стоящей параллельно ей гладкой поверхности с последующим определением относительных коэффициентов теплоотдачи и сопротивления рельефной поверхности. В активе коллектива авторов имеются практико-ориентированнные результаты, защищенные патентами РФ по новым методам температурной стратификации газа в пористых каналах. Также опубликованы результаты исследований по использованию сверхзвукового безмашинного энергоразделения для решения проблемы гидратообразования на газораспределительных станциях.
- Добавил в систему: Киселёв Николай Александрович
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 8 августа 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Этап 1. Экспериментальное и численное исследование нарушения аналогии Рейнольдса в пользу теплообмена в градиентных и отрывных течениях газа |
| Результаты этапа: Модернизированы методики измерения и определения коэффициентов теплоотдачи и сопротивления при наличии продольного градиента давления. Произведен учет начальной неравномерности поля температур в моделях, а также изменения температуры ядра потока в ходе проведения экспериментов по определению полей коэффициентов теплоотдачи. Произведена оценка вклада усилия, вызванного продольным градиентом давления, в показания плавающего элемента при определении коэффициентов сопротивления Оценены величины неопределенности измерений режимных и определяемых в эксперименте параметров. Разработаны и отлажены компьютерные программы для проведения численных расчетов коэффициента аналогии Рейнольдса при дозвуковом течении при наличии градиента давления; | ||
| 2 | 1 января 2020 г.-30 июня 2020 г. | Продолжение этапа 1. Экспериментальное и численное исследование нарушения аналогии Рейнольдса в пользу теплообмена в градиентных и отрывных течениях газа |
| Результаты этапа: В 2019 году были начаты, а в 2020 продолжены экспериментальные и численные исследования возможности нарушения аналогии Рейнольдса в пользу теплообмена в градиентных и отрывных течениях газа. Экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи и сопротивления позволит выявить возможность нарушения аналогии Рейнольдса в градиентных несжимаемых течениях. На первом этапе был модернизирован экспериментальный стенд и создан аппаратно-программный комплекс для исследования теплового и динамического пограничных слоев и контроля режимных параметров в щелевом канале с неравновесным продольным градиентом давления и возможностью изменения в широком диапазоне параметров набегающего потока и проведения зондовых исследований. Выполнена модернизация методики определения коэффициентов сопротивления. Коэффициент сопротивления гладкой поверхности равен коэффициенту трения и определяется путем непосредственного взвешивания гладкой модели на однокомпонентных тензометрических весах с учетом изменения статического давления на длине модели с гладкой поверхностью. По измеренным усилию и давлениям в зазорах определяется касательное напряжение на гладкой поверхности. Коэффициент сопротивления облуненной модели определяется аналогичным образом, однако включает в себя и касательное, и нормальное напряжение, возникающее из-за трехмерного обтекания рельефа облунненной поверхности. Для определения коэффициента теплоотдачи применяется метод нестационарного теплообмена. Использовуется решение одномерного уравнения нестационарного охлаждения стенки конечной толщины с учетом как начальной неравномерности по толщине пластины, так и изменения температуры ядра потока во время эксперимента. Были выполнены тестовые измерения профилей продольной составляющей скорости, а также пульсационной составляющей продольной скорости в различных сечениях канала. Исследования проводились в нескольких сечениях по длине канала в диапазоне скоростей 20-100 м/с и температур набегающего потока 20-35 ◦С (в диапазоне единичных чисел Рейнольдса 2*10^6 – 10^7 1/м). Были экспериментально определены коэффициенты теплоотдачи и трения в безградиентном течении. Проведено сравнение полученных экспериментальных результатов с известными опубликованными данными. Проведены исследования параметров ядра потока на участке с продольным градиентом давления - APG (adverse pressure gradient). Получены первые данные об изменении статического и полного давления, а также скорости в ядре потока на участке APG. На основании полученных данных об изменении скорости ядра потока вдоль оси канала был оценен безразмерный параметр градиента давления, достижимый в эксперименте. Для численного решения задач интенсификации теплообмена при дозвуковом течении и наличии продольного градиента давления, а также с целью анализа экспериментальных результатов создана математическая модель течения газа в канале как постоянного, так и переменного, плоского и круглого сечения при наличии теплообмена на стенке. Разработан алгоритм и программа для численного решения системы уравнений, описывающих трение и теплообмен в дозвуковом потоке газа, проведены тестовые расчеты. Выполнено тестирование используемой модели. Было рассмотрено два класса внутренних течений с воздействиями, приводящими к появлению продольного градиента давления: 1) Течение газов и газовых смесей в круглой трубе с проницаемыми нагретыми стенками для случая отсоса газа. В трубе при отсосе газа через проницаемые стенки вследствие падения скорости потока (числа Рейнольса) по длине появляется положительный градиент давления. Для решения данной задачи: - Проведено исследование влияния числа Прандтля на теплообмен в трубе. - Проведено сравнение полученных результатов с известными зависимостями. - Проведено численное исследование влияния отсоса на стенке и возникающего положительного градиента давления на характеристики течения и теплообмена в трубе. - Проведено численное исследование совместного влияния числа Прандтля и интенсивности отсоса на стенке на турбулентные характеристики течения – турбулентное число Прандтля, турбулентные трение и поток тепла – для теплоносителя как с постоянными теплофизическими свойствами, так и с переменными - для случая существенного теплового потока в стенку. 2) Течение в круглой трубе газовой смеси He-Xe с существенным подогревом стенки. В этом случае возникает отрицательный градиент давления, так как при значительном нагреве стенок трубы турбулентный поток газа ускоряется вплоть до наступления режима реламинаризации: - Проведено численное исследование теплообмена при течении гелий-ксеноновой смеси газов в обогреваемой трубе малого диаметра при сильном подогреве теплоносителя. - Проведено исследование зависимости числа Нуссельта от характерной температуры, в качестве которой использованы среднемассовые температуры: термодинамическая, торможения и восстановления. - Исследовано влияние давления на входе в трубу, числа Рейнольдса и теплового потока на стенке на коэффициент теплоотдачи и число Нуссельта, характеристики турбулентности, профили скорости и температуры, продольное изменение числа Маха, коэффициента аналогии Рейнольдса и пр. В рамках проводимого исследования интенсификации теплообмена в дозвуковых течениях при наличии положительного продольного градиента давления рассмотрена возможность интенсификации теплообмена в круглом и плоском безотрывных диффузорах с малыми углами раскрытия. Рассмотрены каналы с круглым и плоским симметричным диффузорами. Параметры задачи: угол раскрытия - 1°-5°, число Рейнольдса на входе в диффузорный участок Re=(20-200)*10^3, безразмерная длина диффузора Ld=20-100, число Прандтля Pr=0.026-55.7. Возможность повышения эффективности теплообменных аппаратов за счет интенсификации теплоотдачи в диффузорах рассмотрена на примере пластинчатых ТА. Предложена модификация пластинчатых ТА с использованием диффузорных каналов с гладкой поверхностью. За отчетный период получены следующие результаты. Модернизированы методики измерения коэффициентов теплоотдачи и сопротивления при наличии продольного градиента давления. Оценен вклад усилия, вызванного продольным градиентом давления в суммарное регистрируемое плавающим элементом усилие при течении с продольным неблагоприятным градиентом давления. Оценены неопределенности экспериментальных исследований. Измерены профили скорости в различных сечениях по длине плоского канала с гладкими стенками от 310 до 860 мм от среза сопла в диапазоне скоростей 20-100 м/с. Профиль скорости в канале во всех исследуемых сечениях имеет достаточно ярко выраженное ядро потока. По мере возрастания продольной координаты происходит утолщение пограничного слоя и его заполнение. По мере продвижения вдоль канала с ростом числа Рейнольдса и степени турбулентности наблюдается увеличение скорости в области следа пограничного слоя. Степень турбулентности в канале на входе в секцию с APG составила менее 2%. При приближении к стенке (во всей области измерений) степень турбулентности возрастает до значений 8-8.5%. Экспериментально определены значения коэффициентов трения и теплоотдачи в щелевом канале в диапазоне числе Рейнольдса 3400-10000, определенных по толщине потери импульса. Получены следующие результаты: - экспериментальные значения коэффициента трения для гладкой пластины в безградиентом потоке в пределах 5% согласуются с зависимостью cf0=2/(2.5∙lg(Re**)+3.8)^2, число Рейнольдса Re** определено по толщине потери импульса; - экспериментальные значения безразмерного коэффициента теплоотдачи для гладкой пластины в пределах 5% согласуются с зависимостью St=0.0576/2∙Re**^(-0.25)∙Pr^(-0.75), где Pr - критерий Прандтля. Экспериментально получены профили полного давления, скорости и коэффициента давления вдоль секции APG для скоростей на входе 20-80 м/с и углов раскрытия секции с APG в диапазоне 0-20 градусов. Путем решения уравнения импульсов для изотермического пограничного слоя были оценены параметры градиента давления, достижимые в эксперименте. Определен безразмерный параметр градиента давления в области над моделями. Согласно расчету, максимальное значение параметра градиента Клаузера составляет 2.9. Полученные данные свидетельствуют о возможности достижения малых и умеренных значений продольного градиента давления. Для созданной методики численного исследования трения и теплообмена в дозвуковом потоке газа при наличии продольного градиента с использованием трехпараметрической модели сдвиговой турбулентности были проведены тестовые расчеты двух классов внутренних течений с воздействиями. Получены следующие результаты: 1) Течение газов и газовых смесей в круглой трубе с проницаемыми нагретыми стенками для случая отсоса газа. - Число Нуссельта с увеличением интенсивности отсоса газа на стенке существенно возрастает. Появляющийся при сильном отсосе положительный градиент давления оказывает прямое воздействие на динамические характеристики течения, что приводит к нарушению аналогии Рейнольдса. - Численное исследование влияния молекулярного числа Pr на величину турбулентного числа Prt показало, что при отсутствии отсоса с уменьшением числа Pr величина Prt возрастает в пристеночной области и тем сильнее, чем меньше число Pr. Показано, что при слабом отсосе влияние Pr на число Prt для воздуха и газовых смесей слабое. С увеличением интенсивности отсоса число Prt в логарифмической области возрастает и тем сильнее, чем меньше молекулярное число Pr. 2) Течение газовой смеси He-Xe в круглой трубе малого диаметра с существенным подогревом стенки. - Результаты расчетов зависимости коэффициента теплоотдачи и числа Нуссельта от числа Рейнольдса зависят от определения температуры потока и согласуются с известными экспериментальными данными. - Проведенный анализ интегральных и локальных характеристик течения и теплообмена показал, что появляющийся при нагреве газа существенный отрицательный градиент давления способствует ламинаризации течения. Полученное в расчетах значение величины коэффициента аналогии Рейнольдса существенно выше единицы. Исследован процесс интенсификации теплообмена в круглом и плоском безотрывных диффузорах с малыми углами раскрытия: -С ростом угла раскрытия диффузора основные характеристики теплообмена – число Нуссельта и фактор аналогии Рейнольдса (относительный коэффициент аналогии Рейнольдса) – значительно выше, чем в канале постоянного сечения при том же числе Рейнольдса. Фактор аналогии Рейнольдса для круглого диффузора при этом незначительно превышает соответствующую величину для плоского диффузора. - С ростом числа Рейнольдса фактор аналогии Рейнольдса, как текущий, так и средний по длине диффузора немного уменьшаются. С ростом числа Прандтля теплоносителя фактор аналогии Рейнольдса, как текущий, так и средний по длине диффузора меняются немонотонно. Численное моделирование теплообмена в пластинчатых противоточных теплообменных аппаратах (ТА) с диффузорными каналами с малыми углами раскрытия показало: - число Стантона на всей длине, а коэффициент теплоотдачи на большей части длины в ТА с диффузорными каналами превосходят соответствующие величины для ТА с каналами постоянного сечения. - полученные в расчетах величины интенсивности турбулентности и напряжения сдвига существенно возрастают в диффузоре, что приводит к интенсификации теплообмена в ТА с диффузорными каналами. - потери статического давления в диффузорных каналах при малых (до 0.8) углах раскрытия меньше потерь статического давления в каналах постоянного сечения при одинаковых числах Рейнольдса. - В ТА с диффузорными каналами с углом раскрытия 0.8 градусов охлаждение "горячего" потока составляет 6.2 K. Такое же охлаждение достигается в прямом теплообменнике с каналами, длина которых на 12% больше. | ||
| 3 | 1 июля 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Этап 2. Экспериментальное и численное исследование нарушения аналогии Рейнольдса в пользу теплообмена в градиентных и отрывных течениях газа |
| Результаты этапа: Проведены экспериментальные исследования влияния слабого и умеренного неравновесного положительного градиента давления на параметры пограничного слоя, коэффициенты теплоотдачи и трения. На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы о влиянии неравновесного продольного положительного градиента давления на коэффициенты трения, теплоотдачи и фактора Рейнольдса на гладкой поверхности: Универсальный логарифмической профиль скорости сохраняется в рассматриваемом диапазоне параметров APG (β=-0.4…3.2). Параметры профиля скорости (формпараметры H и G, параметр следа П) существенно увеличиваются с ростом параметра градиента давления β. Как локальный, так и осредненный относительный коэффициенты трения cf/cf0 также существенным образом зависят от безразмерного параметра градиента давления - снижаются с ростом β во всем диапазоне охватываемых в эксперименте параметров. Безразмерный относительный коэффициент теплоотдачи St/St0 на гладкой поверхности снижается при наличии APG, однако это снижение на такое существенное, как у cf/cf0. В итоге, фактор аналогии Рейнольдса в течениях с APG растет с увеличением β. Максимальное значение (St/St0)/(cf/cf0)=1.16 достигалось при максимальном значении параметра градиента давления β=2.9. Дальнейшие усилия должны быть направлены на исследование параметров теплового и динамического пограничных слоев при наложении равновесного APG в широком диапазоне режимных параметров: числа Рейнольдса Re** и параметра градиента давления β. | ||
| 4 | 1 января 2021 г.-30 июня 2021 г. | Продолжение этапа 2. Экспериментальное и численное исследование нарушения аналогии Рейнольдса в пользу теплообмена в градиентных и отрывных течениях газа |
| Результаты этапа: За отчетный период проведены экспериментальные исследования влияния слабого и умеренного неравновесного неблагоприятного градиента давления на параметры пограничного слоя (профиль скорости, интегральные толщины, формпараметр, параметр следа пограничного слоя, коэффициент трения и динамическая скорость) несжимаемого газа, коэффициенты теплоотдачи, трения и сопротивления гладкой и облуненной поверхностей. Под равновесным пограничным слоем будем понимать развивающийся при постоянном параметре продольного градиента давления β=(δ*/τw)∙(dp/dx), причем параметры пограничного слоя таковы, что формпараметр Клаузера (G=(H-1)/(H*(Cf/2)^0.5) где H=δ*/δ** - формпараметр пограничного слоя, Cf – коэффициент трения) пограничного слоя при этом постоянен. При выполнении условий β=const и G=const профили скорости будут автомодельными во всей области течения. Во многих работах рассматривались именно равновесные (как наиболее простые в теоретическом описании) течения. Проведены экспериментальные исследования влияния неравновесного неблагоприятного градиента давления на параметры пограничного слоя в дозвуковом потоке. Получены следующие результаты. При угле раскрытия в 0 и 1° градиент давления практически отсутствует. Для углов раскрытия 2-3° величина β сначала увеличивается (на участке x0<60 мм) и, далее, остается практически постоянной. При больших углах раскрытия наблюдается максимум при x0=60 мм, вызванный немонотонным распределением продольного градиента давления dp/dx вдоль канала. Осредненный на участке плавающего элемента (x0=80…200 мм) параметр β монотонно увеличивался до угла раскрытия в 12° (β=-0.25…2.7) и далее, оставался практически постоянным (β=2.7…2.9). При малых величинах градиента давления (угол раскрытия 0-1°) параметры динамического пограничного слоя соответствуют безградиентному течению и практически постоянны на длине исследуемого участка. Профиль скорости описывается зависимостью для безградиентного течения, соответствующего полученным в эксперименте числам Рейнольдса Re**, определенным по толщине потери импульса. Для всех углов раскрытия с положительным градиентом давления наблюдается следующее: по мере продвижения вниз по потоку, профили осредненной скорости становятся все менее заполненными – верхняя граница логарифмической части уменьшается, а параметр следа – увеличивается как с ростом продольной координаты, так и с ростом параметра градиента давления. При этом происходит увеличение формпараметров пограничного слоя и снижение динамической скорости. Такое изменение параметров пограничного слоя можно объяснить влиянием предыстории потока. По мере увеличения продолжительности воздействия продольного градиента давления на пограничный слой (т.е. либо с ростом продольной координаты, либо при увеличении угла раскрытия), профиль скорости приближается к равновесному. Для всех рассмотренных параметров градиента давления экспериментальные профили более заполнены, чем равновесные для данного β. В эксперименте наблюдалось как изменение параметра градиента давления β , так и формпараметра G вдоль канала. Полученные значения G(β) находятся несколько ниже равновесных, что также свидетельствует о недостаточном развитии пограничного слоя для достижения равновесности. С ростом параметра градиента давления и продольной координаты на участке с APG (adverse pressure gradient) наблюдается образование локального максимума турбулентных пульсаций V'+=V'/V* в области y+=120-450 (большие значения соответствуют большим β). При этом происходит увеличение как максимальных значений пульсационной составляющей скорости V'+, так и значений V'+ во всей области пограничного слоя. Получены экспериментальные и численные данные влияния неравновесного неблагоприятного градиента давления на коэффициенты трения и теплоотдачи на гладкой поверхности. Коэффициент трения на гладкой поверхности при течении с APG определялся двумя способами – по измеренному профилю скорости и взвешиванием модели на плавающем элементе. В пределах точности измерений значения коэффициента трения, полученные обоими способами, совпадают. Осредненные (на длине плавающего элемента) значения относительного коэффициента трения падали от Cf/Cf0=1.03 при β= 0.25 до Cf/Cf0=0.75 при β=2.9. Минимальное значение локального (определенного по профилю скорости) относительного коэффициента трения Cf/Cf0=0.69 было получено при β=2.5-3.2. Расчетные значения находятся в удовлетворительном соответствии с полученными экспериментальными данными. Получена зависимость относительного коэффициента трения от формпараметра Клаузера G. Для равновесного пограничного слоя величина G зависит только от параметра градиента давления β. Однако для течений, не достигших равновесия, величины G и Сf/Сf0 не соответствуют равновесным – величина Сf/Сf0 оказывается несколько выше, а G – напротив, ниже равновесных значений. Полученные в настоящей работе данные находятся в хорошем соответствии с зависимостью Людвига-Тиллмана Сf=0.246Re**^-0.268*10^(-0.678*H). Согласно результатам эксперимента, коэффициент теплоотдачи при течении с APG оказывается несколько ниже, чем в случае безградиентного течения. Минимальные значения St/St0≈0.9 соответствуют максимальной величине β=2.7 2.9. В тоже время, расчетные значения коэффициента теплоотдачи при течении с градиентом давления оказываются выше значений для безградиентного течения. Это требует дополнительного исследования. Значения St/St0 оказываются выше значений Сf/Сf0. Из сравнения величин St/St0 и Cf/Cf0, можно сделать вывод, что тепловой пограничный слой менее подвержен влиянию положительного градиента давления. Полученные данные позволяет утверждать, что при течениях с APG фактор аналогии Рейнольдса (St/St0)/(Сf/Сf0) превышает значения для безградиентного потока ((St/St0)/(Cf/Cf0)>1). Получена зависимость (St/St0)/(Cf/Cf0) от параметра градиента давления β. При малых величинах β<1 эта величина остается практически неизменной, однако далее начинает монотонно увеличиваться и достигает своего максимального значения (St/St0)/(Cf/Cf0)=1.16 при максимальном значении β=4.7. Расчетные значения (St/St0)/(Cf/Cf0) в области β>1 оказались несколько выше Следует особо отметить, что полученные значения коэффициента теплоотдачи и фактора аналогии Рейнольдса оказались существенно ниже ранее опубликованных зависимостей. Возможно, расхождение результатов вызвано существенной неравновесностью пограничного слоя, что приводило к увеличению коэффициента трения в сравнении с равновесным течением. Получены данные экспериментального исследования влияния неравновесного неблагоприятного продольного градиента давления на коэффициенты теплоотдачи и сопротивления на облуненной поверхности. Согласно результатам экспериментального исследования, коэффициент сопротивления облуненной поверхности, отнесенный к коэффициенту трения параллельно стоящей гладкой, не зависит от наличия или величины положительного градиента давления - Cx/Cf≈1.05-1.12 для всех величин параметра градиента давления, что соответствует величине, полученной при течении в канале постоянного сечения. Относительный коэффициент теплоотдачи, отнесенный к коэффициенту теплоотдачи параллельно стоящей гладкой модели также остается практически постоянным - Std/St=1.08-1.15. На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы о влиянии неравновесного положительного градиента давления на турбулентный пограничный слой: Универсальный логарифмической профиль скорости сохраняется в рассматриваемом диапазоне параметров. Параметры профиля скорости (формпараметры H и G, параметр следа П) существенно увеличиваются с ростом β. Как локальный, так и осредненный относительный коэффициенты трения Cf/Cf0 также существенным образом зависят от безразмерного параметра градиента давления - снижаются с ростом β. Безразмерный относительный коэффициент теплоотдачи St/St0 на гладкой поверхности снижается при наличии APG, однако это снижение не такое существенное, как у Cf/Cf0. Фактор аналогии Рейнольдса на гладкой поверхности в течениях с APG растет с увеличением β. Максимальное значение (St/St0)/(Cf/Cf0)=1.16 достигалось при максимальном значении параметра градиента давления β=2.9. Осредненные относительный коэффициент сопротивления Cx/Cf и теплоотдачи Std/St облуненной поверхности в пределах точности экспериментального исследования не зависят от величины продольного градиента давления. Теплогидравлическая эффективность облуненной поверхности оказалась выше гладкой поверхности в охватываемом в эксперименте диапазоне режимных параметров – величина (Std/St)/(Cx/Cf)≈1.05 для всех рассмотренных параметров градиента давления. За отчетный период в области экспериментального исследования влияния продольного градиента давления на коэффициент трения и теплоотдачи в сверхзвуковом потоке получены следующие результаты: Модернизирован экспериментальный стенд для исследования коэффициентов теплоотдачи и сопротивления в сверхзвуковом потоке при наличии продольного градиента давления. Создана методика определения основных параметров в эксперименте – распределения числа Маха, коэффициентов теплоотдачи, восстановления и сопротивления по длине канала. Получена оценка неопределенностей основных величин для 95% доверительного интервала. Распределение среднего по сечению числа Маха вдоль канала определялось с использованием уравнения расхода. Коэффициент сопротивления определялся с использованием метода Шапиро-Хоторна для одномерного течения. Таким образом, измерив массовый расход воздуха с помощью массового кориолисова расходомера и распределение статического давления по длине канала, определяется распределение числа Маха и коэффициента трения по длине канала для известной геометрии канала. Зная распределение адиабатной температуры стенки (измеренной с помощью тепловизора), а также температуры торможения (измеренной термопарами в форкамере), определяется распределение коэффициента восстановления температуры по длине канала. С использованием адиабатной температуры стенки и темпа охлаждения поверхности на нестационарном режиме охлаждения изначально нагретой стенки определяется распределение коэффициента теплоотдачи по длине канала. С использованием отмеченных методик получено распределение числа Маха, коэффициентов трения и восстановления температуры в плоском канале с углом полураскрытия 1.5°. С использованием трехпараметрической дифференциальной модели сдвиговой турбулентности проведено численное исследование турбулентного пограничного слоя с положительным градиентом давления. Исследование проведено как для умеренного, так и для сильного градиента давления, соответствующего предотрывному пограничному слою. Получены результаты численных расчетов по влиянию на характеристики течения параметра торможения набегающего потока K, параметра градиента давления β, числа Рейнольдса трения Reτ, а также дополнительного параметра K•Re**, используемого для определения условий отрыва пограничного слоя. При расчете течения с умеренным градиентом давления получены следующие результаты. Средняя скорость в области следа (y/δ>0.15, y+>400) возрастает. В основной части пограничного слоя (y+>200, y/δ>0.1) расчетные профили интенсивности турбулентности и продольной составляющей пульсационной скорости существенно возрастают. Коэффициент трения Сf в расчете с ростом параметра градиента давления β существенно уменьшается, что свидетельствует об уменьшении градиента продольной скорости на стенке, т.е. о тенденции пограничного слоя к отрыву. При этом расслоение полученных зависимостей Сf/Cf0(β) по параметру торможения К с ростом величины K невелико, что свидетельствует о возможности обобщения полученных результатов по параметру β. При расчете течения с предотрывным градиентом давления получены следующие результаты. Профиль скорости для безградиентного течения (близок к профилю скорости u/U1=(y/δ)1/7 . В предотрывной области профиль скорости становится менее заполненным, приближаясь к линейному. Энергия турбулентности и турбулентное напряжение сдвига существенно возрастают. Получена зависимость величины относительного коэффициента трения Cf/Cf0 от параметра отрыва пограничного слоя K•Re**. Такое обобщение результатов расчета в широком диапазоне параметра К представляется удачным и позволяет оценить величину параметра отрыва пограничного слоя в диапазоне K•Re**=-(5.5-6) 10-3, что близко к величине K•Re**=-5 10-3, полученной в работе Бам-Зеликовича и в экспериментах. Отмечено, что в предотрывных сечениях величина формпараметра Н близка к полученному в эксперименте значению Н=2.6 и стремится к значению Н=3, отвечающему линейному профилю скорости. Начаты экспериментальные исследования параметров теплового и динамического пограничных слоев в градиентных и отрывных течениях газа в сверхзвуковой аэродинамической установке АР-2 с изменяемым плоским соплом. Критерий Рейнольдса рассчитывался по длине динамического пограничного слоя и составлял на срезе сопла не менее Rex≥2•10^7, что свидетельствует о турбулентном режиме течения. На длине модели 200 мм при параллельных верхней и нижней стенках фиксируется рост статического давления. Определена адиабатная температура стенки и коэффициент восстановления температуры. Полученные значения коэффициента восстановления r=0.885±0.015 соответствуют аналитической зависимости r=Pr^(1/3) и результатам измерений других авторов. В результате измерений с помощью зондов получены профили температуры торможения, полного и статического давления в пограничном слое при обтекании сверхзвуковым потоком плоской стенки при числах Маха набегающего потока 2.2 и 2.45 при температуре торможения в форкамере 290-294 К. Полученный профиль относительной скорости соответствует закону 1/7, но включает только внешнюю и логарифмическую область турбулентного пограничного слоя и не захватывает область вязкого подслоя. Полученное распределение температуры торможения отражает характерный максимум температуры во внешней области пограничного слоя и снижение до значений ниже температуры ядра потока при приближении к стенке. Тестовые расчеты сверхзвукового пограничного слоя с заданной зависимостью градиента давления от числа Маха по длине, позволяющей определять динамические и тепловые характеристики пограничного слоя, позволили установить следующее: Для сверхзвукового течения на пластине с нулевым продольным градиентом давления расчеты при значениях Tw/Te=0.3 и 0.5 (охлаждаемая стенка) и числа Маха Me=5.9-7.9 продемонстрировали снижение коэффициента трения Cf с ростом числа Маха. Расчетная зависимость формпараметра H от числа Маха Ме, близка к линейной. Зависимость коэффициента аналогии Рейнольдса St/Cf, достаточно сильная в области невысоких значений числа Re** (<10^4) с ростом последнего (Re**>10^5) выходит на значение St/Cf, зависящее только от числа Маха и температурного фактора. С ростом числа Маха диапазон изменения коэффициента аналогии Рейнольдса увеличивается. | ||
| 5 | 1 июля 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Этап 3. Экспериментальное и численное исследование нарушения аналогии Рейнольдса в пользу теплообмена в градиентных и отрывных течениях газа |
| Результаты этапа: Выполнены экспериментальные и численные исследования влияния неблагоприятного градиента давления и отрывов потока на структуру динамического и теплового пограничного слоя, коэффициенты трения и теплоотдачи в потоке несжимаемого и сжимаемого газа. Получены экспериментальные данные влияния неравновесного неблагоприятного градиента давления на коэффициенты трения и теплоотдачи на гладкой и облуненной поверхности в несжимаемых течениях. Определены поля коэффициентов теплоотдачи и восстановления температуры в каналах при различных давлениях в форкамере. В области сверхзвукового течения коэффициент восстановления температуры однороден и снижается от величины 0.9 в критическом сечении до 0.85 непосредственно перед скачком уплотнения. Наличие продольного градиента давления практически не влияет на величину коэффициентов восстановления температуры в области сверхзвукового течения. Скачки уплотнения и, образующиеся вследствие их взаимодействия с пограничным слоем отрывные течения, существенно интенсифицируют теплообмен, приводят к неоднородности в распределении коэффициента теплоотдачи и восстановления. В результате исследований отрывного течения сверхзвукового потока за уступом зафиксированы снижение адиабатной температуры стенки в области рециркуляции, максимум в области присоединения пограничного слоя и снижение в области следа за уступом. Коэффициент теплоотдачи мал за уступом и максимален за точкой присоединения. Интенсификация теплоотдачи за уступом сохраняется на уровне 20% по сравнению с обтеканием гладкой стенки. Исследован процесс интенсификации теплообмена в круглом и плоском «безотрывных» диффузорах с малыми углами раскрытия. С ростом угла раскрытия диффузора получены более высокие значения числа Nu и фактора аналогии Рейнольдса (FAR) по сравнению с каналом постоянного сечения при Re=idem. Полученные данные позволяет утверждать, что при течениях с APG фактор аналогии Рейнольдса превышает значения для безградиентного потока сжимаемого газа. | ||
| 6 | 1 января 2022 г.-30 июня 2022 г. | Продолжение этапа 3. Экспериментальное и численное исследование нарушения аналогии Рейнольдса в пользу теплообмена в градиентных и отрывных течениях газа |
| Результаты этапа: Проведены экспериментальные исследования влияния продольного градиента давления в потоке сжимаемого газа на коэффициенты трения, восстановления температуры и теплоотдачи. Численное исследование турбулентного пограничного слоя с положительным градиентом давления проведено как для умеренного, так и для сильного градиента давления, соответствующего предотрывному пограничному слою. Проведены сравнение и анализ полученных результатов влияния продольного градиента давления и отрыва потока на коэффициент аналогии Рейнольдса в потоках сжимаемого и несжимаемого газа. Из сравнения величин коэффициентов трения и теплоотдачи, можно сделать вывод, что тепловой пограничный слой менее подвержен влиянию положительного градиента давления, Полученные данные позволяет утверждать, что при течениях с положительным продольным градиентом давления фактор аналогии Рейнольдса превышает значения для безградиентного потока сжимаемого газа. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".