Градиентные датчики теплового потока в нестационарной теплометрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.05, кандидат технических наук Митяков, Андрей Владимирович

• Митяков, Андрей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Митяков, Андрей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ.

1.1. Методы теплометрии и датчики теплового потока.

1.2. Теплометрия с использованием датчиков теплового потока типа «вспомогательной стенки».

1.3. Датчики теплового потока «продольного типа».

1.4. Датчики теплового потока «поперечного типа» (градиентные датчики теплового потока).

1.5. Градуировка датчиков теплового потока.

1.5.1. Градуировки датчиков «продольного типа».

1.5.2. Градуировка градиентных датчиков теплового потока.

1.6. Постановка задач работы.

2. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГРАДИЕНТНЫХ ДАТЧИКАХ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА.

2.1. Экспериментальное исследование динамических характеристик датчика.

2.1.1. Влияние толщины датчика на его динамические характеристики.

2.1.2. Оценка погрешности экспериментов.

2.1.3. Аппроксимация передаточной функции.

2.2. Расчет динамических характеристик датчика.

2.2.1. Расчет характеристик в рамках модели полуограниченного

2.2.2. Расчет характеристик по модели составной пластины.

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАДИЕНТНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА.

3.1. Местная теплоотдача при поперечном обтекании изотермического цилиндра.

3.1.1. Экспериментальная установка и методика опытов.

3.1.2. Результаты опытов.

3.2. Цилиндр с искусственной турбулизацией течения в пограничном слое.

3.3. Локальный теплообмен при вынужденной конвекции в сферической лунке.

3.4. Исследование тепловой структуры свободноконвективного пограничного слоя около вертикальной нагретой пластины.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО И СЛОЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА.

4.1. Измерение радиационных тепловых потоков.

4.1.1. Оценка параметров и конструкция чувствительного элемента.

4.1.2. Экспериментальное исследование чувствительного элемента.

4.2. Измерение локального теплового потока в крышку блока цилиндров дизельного двигателя.

4.2.1. Состояние вопроса.

4.2.2. Теплометрия на стенке камеры сгорания дизельного двигателя.

4.2.3. Результаты опытов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Градиентные датчики теплового потока в нестационарной теплометрии»

Актуальность темы. В современных исследованиях процессов теплообмена возрастает доля и значение результатов, полученных вычислительными методами, в то время как их верификация отстает как по уровню, так и по количеству работ. Одновременно становится ясным, что компьютерная запись и обработка сигналов различных датчиков (давления, скорости, температуры, теплового потока и пр.) дает весьма широкие возможности, тогда как арсенал датчиков обновляется медленно, а потому все менее соответствует возможностям регистрирующей аппаратуры.

Высокая информативность нестационарной теплометрии делает ее актуальной в самых различных разделах теплотехнического эксперимента. При этом важно использовать, помимо традиционных, и малоизвестные датчики - такие, например, как градиентные датчики теплового потока (ГДТП).

Цель и задачи работы. Предлагается реализовать новый подход к нестационарной теплометрии, использовав в экспериментах ГДТП. При этом необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать динамические характеристики ГДТП, связав их конструкцию и размеры с чувствительностью и инерционностью. Определить вид передаточных функций и частотный предел, в котором возможны измерения.

2. Изучить возможности ГДТП как при решении известных задач конвективного теплообмена, так и при получении новой информации о нестационарных тепловых потоках: при исследовании локального теплообмена на поверхностях с турбулизаторами, в сферических лунках и т.д.

3. Создать устройства и разработать методику регистрации нестационарных радиационных и радиационно-конвективных тепловых потоков.

Предметом исследования являются, в первую очередь, сами датчики теплового потока, а также методика их градуировки, техника использования в эксперименте, регистрация сигнала, обработка и анализ результатов нестационарной теплометрии.

Методы исследования включают физический эксперимент над ГДТП различных размеров и конструкций, а также теплотехнические эксперименты, в которых ГДТП играют роль измерительного преобразователя. В работе используется математическое моделирование тепловых процессов в ГДТП и в устройствах, созданных на их основе, компьютерная обработка сигнала датчиков и ряд вспомогательных методик, связанных с постановкой экспериментов.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые исследованы динамические характеристики ГДТП. Получены, кроме того, новые данные о параметрах пульсирующего теплового потока на поверхности поперечно обтекаемого цилиндра, о влиянии турбулизаторов на местный и средний коэффициент теплоотдачи. Исследован теплообмен в сферической лунке, выполненной на изотермической пластине. Впервые экспериментально получена зависимость локального теплового потока на стенке камеры сгорания дизельного двигателя от угла поворота коленчатого вала.

Практическая ценность работы состоит в том, что ГДТП позволяют существенно расширить возможности нестационарной теплометрии процессов, протекающих при характерных частотах вплоть до 20 кГц.

В работе показано, что ГДТП надежно и объективно фиксируют практически мгновенные значения теплового потока на сравнительно л малых (до 1 мм ) поверхностях в различных условиях опыта.

Самостоятельную ценность имеет также конструкция специального чувствительного элемента, разработанная в ходе работы и описанная в главе 4.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования динамических характеристик ГДТП: независимость постоянной времени от толщины датчика, вид передаточной функции, модель переходных тепловых процессов в ГДТП.

2. Данные о локальных и усредненных значениях коэффициентов теплоотдачи при вынужденной конвекции на поперечно обтекаемом изотермическом цилиндре, на цилиндре с турбулизаторами, в сферической лунке, а также при свободной конвекции на вертикальной изотермической пластине. Параметры нестационарности теплового потока, полученные в этих исследованиях: дисперсия и распределение спектра пульсаций плотности теплового потока по частотам, сопоставление пульсаций потока с пульсациями давления. Сведения об интенсификации теплообмена на поперечно обтекаемом цилиндре при различном расположении турбулизаторов. Результаты измерения локальных тепловых потоков на поверхности сферической лунки.

3. Конструкция, физическая модель, градуировка и результаты исследования чувствительного элемента для регистрации мощного теплового излучения.

4. Методика и результаты исследования локальных тепловых потоков на стенке камеры сгорания дизельного двигателя, полученные в различных режимах, как функция угла поворота коленчатого вала.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения, выводов, библиографического

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы теплотехники», Митяков, Андрей Владимирович

ВЫВОДЫ

1. Постоянная времени ГДТП не зависит от его толщины и определяется только конструкцией и свойствами материалов. Для ГДТП, использованных в работе, постоянная времени составила 0,05 мс. Предельно достижимое для ГДТП на основе висмута значение равно, по данным расчетов, 0,01 мс.

2. В ходе опытов на гладком цилиндре впервые экспериментально получены кривые пульсаций плотности теплового потока и дисперсии этой плотности в зависимости от угла 0 < (р < 180° при числах Рейнольдса Яе < 2,5 • 105.

3. Впервые получены статистические характеристики пульсаций теплового потока. Установлено, что в частотном спектре пульсаций теплового потока на стенке гладкого цилиндра выделяются несущие частоты; во всем диапазоне (р и Яе они лежат в пределах 1-4 Гц и повышаются с ростом числа Рейнольдса.

4. Экспериментально показано, что на изотермической поверхности гладкого цилиндра средний по окружности коэффициент теплоотдачи можно определить из уравнения подобия

N¡4 = 0,29 ■ Яе0'55, которое отличается от уравнения, справедливого при действии на поверхности цилиндра теплового потока постоянной плотности.

5. Установлено, что турбулизаторы в виде двух проволок диаметром 1,5-2 мм, установленных вдоль образующих на поперечно обтекаемом цилиндре под углом ±у/, повышают местные и средний по поверхности коэффициенты теплоотдачи. Так при Яе = 9 -104 и (// - 55° местный коэффициент теплоотдачи повышается в 4,5; а средний - в 1,25 раза.

6. При исследовании конвективного теплообмена на поверхности сферической лунки с относительной глубиной 0,139, выполненной на гладкой изотермической пластине, установлено, что в диапазоне чисел Рейнольдса 2,5 • 104 < Яе < 6,5 • 104 средний коэффициент теплоотдачи, отнесенный к его значению на гладкой пластине, возрастает «с насыщением» от 0,98 до 1,18. Выявлено, как меняется распределение тепловых потоков в различных частях лунки в зависимости от числа Рейнольдса.

7. Исследование свободноконвективного теплообмена вблизи вертикальной изотермической пластины подтвердило данные, полученные ранее методами термоанемометрии, и показало, что интенсивность турбулентных пульсаций температуры и теплового потока максимальны в диапазоне чисел Грасгофа 109 < Огх < 1011.

Спектр пульсаций теплового потока качественно не отличается от аналогичного спектра для температуры, имеет, в различных точках пластины, максимумы вблизи 3,5 и 7 Гц, а минимум -вблизи 5 Гц.

8. Разработанная конструкция экранированного чувствительного л элемента для регистрации излучения плотностью 0,5-10 Вт/м позволила обеспечить выходной сигнал ГДТП до 4,8 В при максимальной экспозиции до 30 с. Предложенная модель позволяет прогнозировать тепловое состояние элемента в зависимости от его размеров и физических свойств материалов.

9. Измерение местного теплового потока на стенке крышки блока цилиндров дизельного двигателя показало наличие «двойного максимума» вблизи верхней мертвой точки и выявило неравномерность кривых в соседних циклах за счет погрешности в дозировке топлива. Получены временные зависимости плотности теплового потока от угла поворота коленчатого вала в диапазоне от 250 до 1320 об/мин как без топливоподачи, так и при сгорании топлива в цилиндре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование ГДТП в нестационарной теплометрии показало, что датчики этого типа как новый и достаточно эффективный инструмент исследования позволяют существенно расширить и углубить современные представления о различных видах теплообмена, а также решить ряд интересных прикладных задач.

Принципиально важно, что ГДТП равно пригодны к измерениям тепловых потоков и на изотермических поверхностях, и на поверхностях, разогреваемых электрическим током, потоком излучения и т.п. В этом состоит главное - отличие предлагаемой методики от оценки тепловых потоков по результатам термометрии.

Реализованная в работе компьютерная запись и обработка сигнала позволяют оценить параметры пульсирующих тепловых потоков, определить частоты, «ответственные» за перенос энергии, провести верификацию вычислительных экспериментов, в том числе - связанных с моделированием турбулентности.

Динамические характеристики ГДТП достаточно необычны: наибольшую практическую ценность представляет, пожалуй, тот установленный в работе факт, что постоянная времени датчиков не зависит от их толщины. Это позволяет, помимо прочего, уменьшить погрешность измерения, связанную с искажением температурного поля за счет присутствия датчика, и выделить погрешность, связанную с собственной инерционностью ГДТП.

В дальнейшем предполагается использовать ГДТП в детальном исследовании теплообмена на поверхностях с лунками и другими турбулизаторами, при изучении сложного теплообмена в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, а также применить ГДТП в качестве чувствительных элементов в устройствах для измерения потоков излучения, расходов жидкостей и газов, силы электрического тока и др. Во многом эти задачи становятся реальными именно благодаря установленным в настоящей работе динамическим характеристикам ГДТП и первым результатам нестационарной теплометрии в процессах конвективного, радиационного и сложного теплообмена, полученным с их применением.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Митяков, Андрей Владимирович, 2000 год

1. Агапьев Б.Д., Белов В.Н., Кесаманлы Ф.П. и др. Обработка экспериментальных данных: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. - 84 с.

2. Аморфные и поликристаллические полупроводники/ Под. ред. Хейванга. М.: Мир, 1987. - 160 е., ил.

3. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник. Киев: Наукова думка, 1979.

4. Афанасьев В.Н., Веселкин В.Ю., Леонтьев А.И. и др. Гидродинамика и теплообмен при обтекании одиночных углублений на исходно гладкой поверхности: Препр. МГТУ им. Н.Э.Баумана № 2-91. Ч. 1. -М.: Изд-во МГТУ, 1991.-56 е., ил.

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

6. Геращенко O.A. Основы теплометрии. Киев: Наукова думка, 1971. -192 с.

7. Григорьев Б.А. Импульсный нагрев излучениями: Часть 2. Нестационарные температурные поля при импульсном лучистом нагреве. М.: Наука, 1974. - 728 с.

8. Дивин Н.П. Датчик теплового потока. Свидетельство на полезную модель № 9959 с приоритетом 10 августа 1998 г. Российское агенство по патентам и товарным знакам.

9. ДрейцерГ.А. Критический анализ современных достижений в области интенсификации теплообмена в каналах// Вторая Российская Национальная конф. по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ, 1998 - Т. 6, С. 91-98.

10. ДульневГ.Н., ЗаричнякЮ.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов: Справочная книга. Л.: Энергия, 1974. - 264 с.

11. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ: Справочник. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 240 с.

12. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982. - 472 с.

13. Иорданишвили Е.К., Бабин В.П. Нестационарные процессы в термоэлектрических и термомагнитных системах преобразования энергии. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1983. - 216 с.

14. Кавтарадзе Р.З. Экспериментальные методы определения нестационарных локальных тепловых нагрузок на поверхностях камер сгорания дизелей: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1995. - 49 е., ил.

15. КарслоуГ., ЕгерД. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964.

16. Карташов Э.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1979. - 415 е., ил.

17. Кикнадзе Г.И., Олейников В.Г. Самоорганизация смерчеобразных вихревых структур в потоках газов и жидкостей и интенсификация тепло- и массообмена: Препр. Институт теплофизики СО АН СССР № 227-90. Новосибирск: Изд-во Института теплофизики, 1990.-46 с.

18. Китанин Э.Л., Тарасенко A.M. Решение задач теплопроводности с помощью ЭВМ: Учебное пособие. Л.: изд. ЛПИ, 1989. - 52 с.

19. Короткое П.А., Лондон Г.Е. Динамические контактные измерения тепловых величин. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974. -224 с.

20. Кузьмицкий O.A., Чумаков Ю.С. Структура температурного поля в свободноконвективном пограничном слое около вертикальной изотермической поверхности. // Теплофизика высоких температур, т.28, №6, 1990, стр. 1142-1148.

21. Кутателадзе С.С. Теплопередача гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 е., ил.

22. Логиневская Л.В., Рябов Ю.И. Программное обеспечение научных исследований, связанных с решением задач термоупругой пластичности. В сб.: Математическое моделирование металлургических и сварочных процессов. М.: Металлургия, 1983 - С.52-58.

23. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. -600 с.

24. Мелихова Н.М. Исследование сопряженного теплообмена в замкнутом объеме в условиях свободной и смешанной конвекции: Автореф. дис. канд. физ-мат. наук. Л., 1989.

25. Митяков A.B. Математическая модель чувствительного элемента для детектора излучения. Вестник молодых ученых. Серия: Технические науки. №1 1999. Изд-во СПбГТУ, СПб. - с. 75-80.

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

27. Митяков В.Ю., Митяков A.B., Сапожников С.З. Использование градиентных датчиков теплового потока для исследования местной теплоотдачи при поперечном обтекании цилиндра// XII Школа-семинар молодых ученых и специалистов. М., 1999 - С. 47-50.

28. Михайлов М.Д. Нестационарные температурные поля в оболочках. -М.: Энергия, 1967.- 120 с.

29. Михеев М.А., МихееваИ.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973.-320 с.

30. ОрлинА.С., Вырубов Д.Н., ИвинВ.И. и др. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей/ Под ред. A.C. Орлина. М.: Машиностроение, 1971. - 400 с.

31. ОсиповаВ.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1979. - 320 е., ил.

32. Петриченко P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания: Учеб. пособие. JL: Изд-во Ленингр. ун-та, 1983. - 244 с.

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

34. Практикум по теплопередаче: Учеб. пособие для вузов./Солодов А.П., Цветков Ф.Ф. и др. Под ред. Солодова. М.: Энергоатомиздат, 1986 - 296 е., ил.

35. Прандтль Л., Тьенс О. Гидро- и аэромеханика. ОНТИ НКТП 1935.

36. Работа дизелей в условиях эксплуатации: Справочник/А.К.Костин, Б.П.Пугачев, Ю.Ю.Кочинев; Под общ. ред. А.К.Костина.-Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.-284 е.: ил.

37. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977.-216 с.

38. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 1974

39. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков A.B. Локальный теплообмен при вынужденной конвекции в сферической лунке// 4 Минский международный форум по тепломассообмену. Минск, 2000.

40. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков A.B., Теплометрия в энергетике и экологии: использование градиентных датчиков// Тез. докл. Науч.-техн. конф.: Фундаментальные исследования в технических университетах. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1998. -С. 192.

41. Семенов Б.Н., Павлов Е.П., КопцевВ.П. Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности. Л.: Машиностроение, 1990. - 240 с. ил.

42. Сергеев O.A. Метрологические основы теплофизических измерений. М.: Издательство стандартов, 1972. - 154 с.

43. Современное состояние гидродинамики вязкой жидкости. Т.2, 1998.

44. Теория и техника теплофизического эксперимента: Учеб. Пособие для вузов/Ю.Ф.Гортышов, Ф.Н.Дресвянников и др.; под. ред. В.К.Щукина. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 360 е., ил.

45. Топливораспределительный насос типа VE: Техническое описание. -BOSCH GmbH, 1981 -68 с.

46. ФлетчерК. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х томах: Т. 1: Пер. с англ. М.:Мир, 1991. - 504 е., ил.

47. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 744 с.

48. ЯрышевН.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. JL: Энергия, 1967. - 300 с.

49. Achenbach Е. Total and local heat transfer from a smooth circular cylinder in cross-flow at high Reynolds number/ International Journal of Heat and Mass Transfer. 1975. - Vol.18, Num.11. - P. 1387-1396.

50. Chumakov Y.S., Mitiakov V.Y., Mitiakov A.V. and Sapozhnikov S.Z. Gradient sensors: heat flux measurement on small burners and inside the rooms// 2-nd European conference on small burners and technology. -Stuttgart, Germany, 2000

51. Chumakov Y.S., Nikolskaja S.B. Features of dynamic and heat structure of free convection boundary layer near vertical heated surface. // Turbulent Heat Transfer-2, Manchester, v.2 1998, p. 9-19.

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

53. Doebelin, E.D. Measurement systems. McGraw-Hill, New York, 1975.

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

55. Geiling, L., 1951, Das Thermoelement als Strahlungsmesser. Zschr. f. angew. Phys., Bd.3.12.

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

57. Mäher 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.

58. 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.

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

60. РАСЧЕТ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР В АНИЗОТРОПНОМ ТЕРМОЭЛЕМЕНТЕ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

61. Особенность расчета заключается в том, что исходная программа не предназначена для расчета анизотропного тела, поэтому в процедуру был добавлен модуль, в котором теплопроводность зависела от направления в двух координатах.

62. Далее для совмещения «осей координат» программы и кристаллографических осей кристалла, последний был повернут на угол 53,4°.

63. В результате расчета получено распределение температур в монокристалле, которое представлено на рис.2.6 (см. стр.43).

64. РАСЧЕТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРАДИЕНТНОГО ДАТЧИКА ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

65. Расчет эффективных теплофизических характеристик датчика. Для определения теплопроводности сложного тела воспользуемся методом, изложенным в работе 13.

66. Выполним дробление элементарной ячейки (рис.П2.1) адиабатными плоскостями.1. Ь=0,2висмутлавсан

67. Рис.П2.1. Элементарная ячейка градиентного датчика теплового потока.1. Тогда 13. Аад