Исследование характеристик турбулентности и теплообмена за обратным уступом в щелевом канале тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Комаров, Павел Леонидович

• Комаров, Павел Леонидович
• кандидат физико-математических наук
• 1995

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Комаров, Павел Леонидович

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕЧЕНИЕ ЗА УСТУПОМ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Гидродинамические характеристики турбулентности

1.2. Турбулентный теплоперенос

1.3. Постановка задачи данного исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Автоматизированная система измерений. Погрешности измеряемых величин.

2.3. Методика определения координаты измерительного объема

Л ДА относительно стенки канала.

2.4. Характеристики потока перед отрывом.

ГЛАВА 3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ЗА УСТУПОМ

3.1. Структура осредненного течения.

3.2. Пульсационные характеристики течения

3.3. Особенности генерации и конвекции турбулентности в зоне отрыва

ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕПЛОПЕРЕНО

СА ЗА УСТУПОМ.

4.1. Коэффициенты теплоотдачи.

4.2. Структура температурного поля.

4.3. Особенности температурных пульсаций.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик турбулентности и теплообмена за обратным уступом в щелевом канале»

Большинство теплообменных поверхностей не являются гладкими. Как правило на них имеются либо искусственные шероховатости, предусмотренные для интенсификации процессов теплоотдачи, либо неоднородности, связанные с технологией изготовления или функционирования изделия. При обтекании таких поверхностей жидким или газообразным теплоносителем неизбежен отрыв пограничного слоя и последующее его присоединение к стенке. Подобные течения имеют место в ядерных реакторах, газовых турбинах, камерах сгорания, электронной аппаратуре и других устройствах теплоэнергетического оборудования. Присоединение потока представляет собой серьезныю проблему, поскольку это явление может вызывать значительные изменения локального коэффициента теплоотдачи и сопровождаться существенным возрастанием суммарной теплоотдачи. Необходима разработка расчетного метода для оценки тепловых нагрузок, обусловленных присоединением потока. Для прнимания причин, вызывающих перестройку течения и связанные с ней изменения" местной ' теплоотдачи, первоочередной задачей становится изучение структуры течения вблизи одиночных неоднородностей и отработка расчетных моделей на базе полученного экспериментального материала.

Имеющийся к настоящему времени обширный экспериментальный материал по наиболее простому виду отрывного течения, обратному уступу, включает в основном данные по интегральным характеристикам потока, таким как длина отрывной зоны, распределения давления и теплообмена на стенке канала за уступом, изменения интегральных характеристик пограничного слоя в зоне отрыва и релаксации течения. Экспериментальные исследования, ставящие своей целью комплексные измерения осредненных полей скорости и температуры, интенсивности их пульсаций, турбулентных переносов импульса и тепла, а также анализ членов уравнений, описывающих турбулентные процессы в области отрыва потока, встречаются значительно реже. Работы, посвященные измерениям указанных характеристик с высокой пространственной разрешающей способностью, когда результаты экспериментов могут быть представлены в виде двумерного поля данных, полностью отсутствуют.

Существующее положение во многом объясняется ограниченными возможностями выбора способа измерений мгновенных значений компонент вектора скорости в области с высоким уровнем пульсаций и изменением направления течения жидкости. В таких условиях наиболее работоспособным оказывается метод лазерной доплеров-ской анемометрии, который, являясь бесконтактным, обладает избирательностью к компонентам вектора скорости и их знаку. Кроме того для выяснения деталей отрывного неизотермического течения, которые могут оказаться существенными при создании расчетных моделей, необходимы измерения двумерных полей характеристик течения с малым шагом по обеим координатным осям. Такие измерения в свою очередь требуют полностью автоматизированную систему сбора данных со сканированием измерительного объема по двум направлениям, позволяющую наряду с измерениями мгновенных значений скорости проводить и мгновенные измерения температуры. Сложность и высокая стоимость указанного оборудования не позволяет широко использовать его преимущества в экспериментальной практике, чем и объясняется отсутствие подобных данных по отрывным течениям в литературе, в то время как актуальность таких исследований очевидна.

В данной работе автор, используя приборный потенциал Лаборатории газодинамики ИВТАН и накопленный опыт работы с ЛДА фирмы "БаШес", провел полный комплекс указанных измерений, которые позволили выявить ряд новых особенностей отрывных течений, дать количественные оценки его характерных зон при различных скоростях набегающего потока, определить координаты центров основного и вторичного рециркуляционных вихрей.

Эти положения выносятся автором на защиту.

Настоящая диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Комаров, Павел Леонидович

выводы

1. Создана экспериментальная установка с автоматизированной системой измерений полей скорости и температуры за обратным уступом в щелевом канале на базе лазерного доплеровского анемометра и термометра сопротивлений фирмы Dantec (Дания), позволившая получить поля турбулентных характеристик с высоким пространственным разрешением. Разработанная методика определения координаты измерительного объема ЛДА относительно стенки канала значительно снизила погрешность измерений, связанную с неопределенностью положения чувствительного элемента прибора в высокоградиентных областях пристенного течения.

2. На основании проведенных исследований получена структура осредненного течения за уступом в безразмерных координатах при различных числах Re. Предложены аппроксимационные зависимости для характерных точек осредненного поля скорости, которые позволили количественно оценить границы основного и вторичного рециркуляционных вихрей, а также координаты их центров.

3. Выявлены особенности полей пульсационных характеристик скорости, главной из которых является существование второго максимума на поперечных профилях интенсивности пульсаций продольного вектора скорости и касательного напряжения Рейнольдса в области между центром основного вихря и точкой присоединения течения. Показано, что именно он является причиной немонотонного роста размеров свободного сдвигового слоя и несовпадения положения максимумов пульсационных характеристик с точкой присоединения течения.

4. На основании опытных данных получены распределения генерации и конвекции турбулентной кинетической энергии в характерных областях отрывного течения, анализ которых указывает на причину возникновения второго максимума на профилях пульсаций скорости. Такой причиной является конвективный перенос энергии турбулентности из сдвигового слоя в зону основного рециркуляционного вихря за счет поперечного осредненного движения жидкости.

5. Измерены локальные коэффициенты теплоотдачи за уступом при различных числах Re. Получена зависимость максимального значения числа Nu от числа Re.

6. С высоким пространственным разрешением получены экспериментальные данные по структуре температурного поля за уступом при дс = const. Выявлено существование максимума как на поле осредненной температуры, так и на поле интенсивности ее пульсаций в угловой зоне уступа.

7. Совместный анализ полей скорости и температуры показал, что максимумы температурных характеристик своим существованием обязаны взаимодействию основного и вторичного рециркуляционных вихрей вдоль их общей границы. Получен

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Комаров, Павел Леонидович, 1995 год

1. Симпсон Р.Л. Обзор некоторых явлений, возникающих при отрыве турбулентного потока // Теоретические основы, 1981, тЛОЗ, N4, СЛ31-149.

2. Шляжас Р.Б. Турбулентный перенос импульса и тепла в пограничном слое за препятствием: Дисс. . канд. техн. наук. Каунас, 1984.

3. Мосс В.Д., Бэкер С., Бредбери Л.Дж.С. Измерения средней скорости и рей-нольдсовых напряжений в некоторых областях рециркуляционных течений // В сб. Турбулентные сдвиговые течения, М.¡Машиностроение, 1982, с.203-213.

4. Итон Дж.К., Джонстон Дж.П. Обзор исследований дозвуковых турбулентных присоединяющихся течений // Ракетная техника и космонавтика, 1981, т.19, N10, с.7-19.

5. Ота Т., Итасака М. Отрыв и присоединение потока на плоской пластине с затупленной передней кромкой // Теоретические основы, 1976, N2, с.321-327.

6. Эббот Д.Е., Клайн С.Дж. Экспериментальное исследование дозвукового турбулентного течения при обтекании одинарных и двойных уступов / / Техническая механика, 1962, т.84, N3, с.20-28.

7. Ким Дж., Клайн С.Дж., Джонстон Дж.П. Исследование присоединения турбулентного сдвигового слоя: обтекание обратного уступа // Теоретические основы, 1980, т.102, N3, с.124-132.

8. Bradshaw P., Wong F.Y.F. The reattachment and relaxation of a turbulent sheer layer // J. of Fluid Mechanics, 1972, v.52, Pt.l, p.113-139.

9. Пядишюс А., Шланчяускас А. Турбулентный теплоперенос в пристенных слоях. Вильнюс: Мокслас, 1987. -239с.

10. Адаме Э.В., Джонстон Дж.П. Структура течения в пристеночной зоне турбулентного отрывного течения // Ракетная техника и космонавтика, 1989, N5, с.З-13.

11. Крюков В.Н. Исследование турбулентного отрыва за.уступом, расположенным по потоку // В сб. Отдельные задачи тепло- и массообмена между потоками и поверхностями, М., 1986, с.24-28.

12. Фогель, Итон. Комбинированные измерения теплоотдачи и гидродинамических характеристик за обратным уступом. // Теплопередача, 1985, N4, с.152-159.

13. Филетти Е.Г., Кейс У.М. Теплообмен в областях отрыва, присоединения течения и развития потока за двойным уступом на входе в плоский канал // Теплопередача, 1967, N2, с.51-57.

14. Кором К.К., Спэрроу Е.М. Турбулентный теплообмен в трубе за асимметричной преградой // Теплопередача, 1978, т. 100, N4, с.27-35.

15. Бон, Хофман, Такахаси, Лондер. Местный теплообмен за резким расширением круглого канала при постоянной плотности теплового потока на стенке. // Теплопередача, 1984, N4, с.91-99.

16. Кюн Д.М. Влияние положительного градиента давления на характеристики присоединяющегося течения несжимаемой жидкости за уступом / / Ракетная техника и космонавтика,. 1980, т.18. N4. с.268-269.

17. Эббот Д.Е., Клайн С.Дж. Экспериментальное исследование дозвукового турбулентного течения при обтекании одинарных и двойных уступов // Техническая механика, 1962, т.84, N3, с.20-28.

18. Кталхерман М.Г. Теплоотдача к пластине за препятствием // ПМТФ, 1966, N5, с.130-133.

19. Shishov E.V., Roganov P.S., Grobarnik S.J. et al. // Int. J. Heat and Mass. Transfer, 1988, v.31. N8. p.1557-1562.

20. Леонтьев А.И., Шишов E.B., Захаров А.О. Моделирование переноса теплоты и импульса в отрывном турбулентном течении за обратным уступом / / Доклады Академии наук, 1995, т.341. N3. с.341-345.

21. Shih Т.Н., Lumley J.L. // Int. J. Comput. Fluid Dynamics, 1993, v.l. N1. p.43-56.

22. Smyth R. Turbulent heat transfer measurements in axisymmetric external separated and reattached flows // Lettere in heat and mass transfer, 1979, v.6, pp.405412.

23. Бузник B.M., Бандура B.H., Артемов Г.А. Исследование теплоотдачи и сопротивления пластины с единичным элементом шероховатости различной высоты / / Судостроение и морские сооружения, 1966, Вып.4, с.3-13.

24. Дыбан Е.П., Эпик Э.Я. Теплообмен и гидродинамика турбулизированных потоков. -Киев: Наукова думка, 1985.

25. Шланчяускас A.A., Пядишюс A.A., Зигмантас Г.П. Теплоперенос в турбулентном пограничном слое при наличии возмущений и их релаксации // В кн. Теплообмен VI, Минск: ИТМО АН БССР, 1980, т.1. ч.2. с.185-196.

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

27. Brighton S.A., Jones J.B. Fully developed turbulent flow in annuli //J. of Basic Engineering, 1964, B.835.

28. Поляков А.Ф., Шиндин С.А. Совместное использование термо- и лазерного доплеровского анемометров для исследования характеристик турбулентного переноса // В сб. Конвективный теплообмен, М.:ИВТАН, 1982, с. 169-180.

29. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. -М.: Энергия, 1978.

30. Воскобойников Ю.Е., Преображенский Н.Г., Седельников А.И. Математическая обработка эксперимента в молекулярной газодинамике. -Новосибирск: Наука, 1984. -239с.

31. Вапник В.Н. и др. Алгоритмы и программы восстановления зависимостей. -Москва: Наука, 1984. -816с.

32. Богатырев В.Я., Дубнищев Ю.Н., Мухин В.А. и др. Экспериментальное исследование течения в траншее // ПМТФ, 1976, N2. с.76-86.

33. Цыпулев Ю.В. Экспериментальное исследование турбулентного температур-но-стратифицированного течения в плоском горизонтальном канале: Дисс. . канд.физ.-мат.наук. М.:ИВТАН, 1979.

34. Петухов Б.С., Комаров П.Л., Поляков А.Ф., Шиндин С.А. Экспериментальное и теоретическое исследование разрешающей способности однониточных термо-анемометрических датчиков // В сб. Вопросы термо- и лазерной анемометрии, М.:ИВТАН, 1985, с.9-26.

35. Avraamov N.I., Polyaev V.M. An Experimental Study of the Effect of the Blow-in Rate on the Size of the Flow Separation Region // Experimental Thermal and Fluid Science, 1993, v.6, pp.335-340.

36. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. -Москва: Наука, 1969. с.156-157.

37. Синха С.Х., Гупта А.К., Оберай М.М. Ламинарное отрывное обтекание уступов и каверн. Часть I. Течение за уступом // Ракетная техника и космонавтика, 1981, Т.19, N12, с.33-37.

38. Гуляев А.Н., Козлов В.Е., Секундов А.Н. // Известия РАН, МЖГ. 1993, N2, с.69.

39. Spalart P.R., Allmaras S.R. // AIAA Paper 92-0439, 1992.

40. Menter F.R. // AIAA Paper 93-2906, 1993.

41. Chien J.Y. // AIAA Journal, 1982, v.20, N1, p.332.

42. Driver D.M., Seegmiller H.L. // AIAA Journal, 1985, v.23, N2, p.163.

43. Kays W.M., Leung E.Y. Heat Transfer in Annular Passages Hydrodynamically Developed Turbulent Flow with Arbitrarily Prescribed Heat Flux. // Int.S.Heat and Mass Transfer, v.6, 1963, pp.573-557.