Математическое моделирование тепловых и турбулентных процессов на теплонагруженных поверхностях с полусферическими демпфирующими полостями в энергетических установках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Чукалин Андрей Валентинович

• Чукалин Андрей Валентинович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Чукалин Андрей Валентинович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.

ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ существующих и перспективных способов управления пристенной турбулентностью в условиях температурного градиента

1.1.1 Активные способы управления пристенной турбулентностью

1.1.2 Пассивные способы управления пристенной турбулентностью

1.2 Тепломассообмен и трение дисперсного потока в пограничном слое

1.2.1 Дисперсный пограничный слой

1.2.2 Особенности и характеристики температурного поля

в пограничном слое

1.2.3 Обзор эффективных методов охлаждения поверхностей обтекаемых высокоскоростными потоками газа

1.3 Применение демпфирующих полостей в пограничном слое, особенности и показатели их работы

1.4 Методы и средства моделирования турбулентности

1.5 Выводы. Цель и задачи исследования

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ С ВНЕШНИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ

2.1 Математическое моделирование процессов в пограничном слое

2.2 Математическое моделирование турбулентного переноса

2.3 Выводы

3 ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ С ВНЕШНИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ

3.1 Возможные способы численного интегрирования системы дифференциальных уравнений пограничного слоя с внешними воздействиями методом конечных разностей

3.2Численный метод моделирования обменных процессов

в пограничном слое с внешними воздействиями

3.3Особенности численного моделирования пограничного слоя

с воздействиями, сходимость и устойчивость

3.4 Выводы

4 КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

4.1 Комплекс программ и алгоритм программной реализации для исследования эффективности тепловой защиты поверхностей

4.2 Тестовые расчёты, сопоставление данных и оценка адекватности моделирования процессов и расчётной методики

4.3 Исследование обменных процессов в пограничном слое на поверхности с полусферическими демпфирующими полостями

4.3.1 Исследование пограничного слоя на изолированной поверхности с полусферическими демпфирующими полостями

4.3.2 Исследование пограничного слоя на неизолированной поверхности с полусферическими демпфирующими полостями

4.4 Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Свидетельство о государственной регистрации

программы

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Оборудование и методика измерения параметров

пограничного слоя

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Патенты на право интеллектуальной собственности

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акты внедрения результатов кандидатской работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование тепловых и турбулентных процессов на теплонагруженных поверхностях с полусферическими демпфирующими полостями в энергетических установках»

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных способов достижения улучшенных технических характеристик современных и перспективных энергетических установок является повышение эксплуатационных характеристик (температуры и давления) рабочего тела, что в свою очередь требует совершенствования существующих и разработки новых технических решений, направленных на обеспечение эффективной тепловой защиты элементов энергетических установок.

Последние десятилетия многие авторы акцентируют своё внимание на системах, способных эффективно управлять турбулентным переносом в пограничном слое. Однако на сегодняшний день удовлетворительного решения этой проблемы не получено: часть технических решений, направленных на снижение сопротивления трения, затруднительно применить за пределами лаборатории, надёжность других методов официально не подтверждена, а для некоторых решений отсутствуют подтверждающие эффективность применения количественные данные. Сдерживающим фактором для решения проблемы является отсутствие моделей турбулентного переноса, адекватно отражающих реакцию турбулентности на управляющие воздействия. В Ульяновском государственном техническом университете под руководством профессора H.H. Ковальногова выполнен комплекс работ по созданию теоретических основ моделирования процессов в пограничном слое, что обеспечивает целенаправленный поиск наилучших решений на основе предварительного расчётно-теоретического анализа и выявление путей снижения турбулентности потока около перфорированных поверхностей с демпфирующими полостями. Количественные параметры управления интенсивностью обменных процессов, а также значения эмпирических коэффициентов в применяемых моделях при этом определяются путем эксперимента. Данная работа посвящена исследованию и разработке метода математического моделирования тепловых и турбулентных процессов в пограничном слое, а также определению эффективности тепловой защиты поверхно-

стей при использовании полусферических демпфирующих полостей, в том числе в дисперсных потоках.

Значительные резервы повышения эффективности тепловой защиты энергетических установок связаны с технологическими воздействиями на пограничный слой, направленными на снижение турбулентных пульсаций, затягивание ламинарно-турбулентного перехода и уменьшение турбулентного переноса в пограничном слое рабочего тела. Натурные эксперименты по изучению приведённых выше процессов требуют высокого уровня финансирования, оборудования, знаний и времени многих людей. Наиболее оптимальным способом является математическое моделирование процессов, в основе которых заложена теория тепломассообмена, пограничного слоя, а также математического моделирования и численных методов решения систем нелинейных дифференциальных уравнений. Поэтому работа, посвящённая математическому моделированию тепловых и турбулентных процессов на теплонагруженных поверхностях с полусферическими демпфирующими полостями в энергетических установках, является актуальной.

Объектом исследования являются теплонагруженные поверхности энергетических установок и методы их тепловой защиты, основанные на использовании полусферических демпфирующих полостей.

Предметом исследования являются обменные процессы в пограничном слое, формирующемся на теплонагруженных поверхностях энергоустановок, и воздействие полусферических демпфирующих полостей на их интенсивность.

Цель работы - повышение эффективности тепловой защиты теплонагруженных поверхностей энергетических установок с полусферическими демпфирующими полостями путем отработки конструкции на основе математического моделирования тепловых и турбулентных процессов.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать метод математического моделирования для исследования интенсивности турбулентного переноса на поверхности с полусферическими

демпфирующими полостями в однородных и дисперсных потоках, основанного на сопряжённом решении системы дифференциальных уравнений пограничного слоя.

2. Разработать численный метод решения системы дифференциальных уравнений пограничного слоя для моделирования тепловых и турбулентных процессов в пограничном слое на теплонагруженных поверхностях с полусферическими демпфирующими полостями.

3. Разработать комплекс программ для исследования тепловых и турбулентных процессов в пограничном слое, а также оценки эффективности тепловой защиты теплонагруженных поверхностей с полусферическими демпфирующими полостями при обтекании поверхностей однородными и дисперсными потоками.

4. Выполнить компьютерное исследование тепловых и турбулентных процессов в пограничном слое, определение показателей эффективности тепловой защиты энергетической установки, оборудованной полусферическими демпфирующими полостями на теплонагруженных поверхностях при их обтекании, в том числе дисперсными потоками.

Методы исследования. Работа реализована с использованием современных методов исследования, базирующихся на фундаментальных основах математического анализа, математического моделирования и численных методов решения уравнений, теории тепломассообмена, газодинамики и пограничного слоя.

Научная новизна заключается в следующих разработках:

1. Разработан метод математического моделирования турбулентного переноса в пограничном слое при обтекании поверхности однородными и дисперсными потоками, отличающийся учётом показателей турбулентного переноса при наличии полусферических демпфирующих полостей, что позволяет количественно оценить эффективность их применения.

2. Разработан численный метод решения системы дифференциальных уравнений пограничного слоя, отличающийся адаптивным выбором ширины полосы интегрирования и шага разностной сетки в зависимости от актуальных толщин теплового и динамического пограничного слоя, что обеспечивает сходимость и устойчивость решения и позволяет повысить точность моделирования тепловых и турбулентных процессов в пограничном слое на теплонагру-женных поверхностях с полусферическими демпфирующими полостями.

3. Создан комплекс программ для исследования пограничного слоя, а также оценки эффективности тепловой защиты поверхностей, включающий в себя методику моделирования турбулентного переноса, алгоритм и процедуры численного исследования тепловых и динамических характеристик пограничного слоя и позволяющий моделировать пограничный слой на теплонагружен-ных поверхностях с полусферическими демпфирующими полостями.

4. Получены новые результаты исследования тепловых и турбулентных процессов в пограничном слое, эффективности тепловой защиты поверхности с применением полусферических демпфирующих полостей, в том числе при обтекании поверхностей дисперсными потоками, позволяющие выработать рекомендации по улучшению тепловой защиты и повышению срока службы энергоустановок.

Практическая значимость работы заключается в создании комплекса программ для исследования пограничного слоя на поверхностях с полусферическими демпфирующими полостями, возникающего в высокоскоростных дисперсных потоках с градиентным полем температуры, применение которого дает возможность повысить эффективность тепловой защиты поверхности. Разработаны технические решения, направленные на повышение эффективности плёночного охлаждения поверхности (патент РФ № 173450) и эффективное управление турбулентным переносом в пограничном слое (патент РФ № 186044).

Соответствие паспорту научной специальности. Исследование соответствует паспорту специальности 05.13.18 - математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ: п. 3 - разработка, обоснование и тестирование эффективных вычислительных методов с применением современных компьютерных технологий; п. 4 - реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента; п. 5 - комплексные исследования научных и технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.

Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением полученных расчётных данных с результатами натурных экспериментов, а также данными, полученными другими авторами, и тестированием программного комплекса. Аутентичность численных расчётов обеспечивается применением адекватного (подтвержденного экспериментальными результатами) математического моделирования процесса турбулентного переноса, использованием апробированной разностной схемы, выбором сетки, обеспечивающей требуемую точность, анализом погрешности вычислений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод математического моделирования турбулентного переноса в однородном и дисперсном пограничном слое энергетических установок, основанный на сопряжённом решении системы дифференциальных уравнений пограничного слоя и учитывающий воздействие полусферических демпфирующих полостей.

2. Численный метод решения системы дифференциальных уравнений пограничного слоя с адаптивным выбором ширины полосы интегрирования и шагов разностной сетки в зависимости от актуальных толщин теплового и динамического пограничного слоя энергетических установок.

3. Комплекс программ для моделирования и исследования эффективных систем тепловой защиты поверхностей с применением полусферических демпфирующих полостей, обтекаемых высокоскоростными дисперсными потоками.

4. Результаты исследования тепловых и турбулентных процессов в погра-

ничном слое и эффективности тепловой защиты поверхности с применением полусферических демпфирующих полостей в энергетических установках, в том числе при обтекании поверхностей дисперсными потоками, полученные в ходе вычислительного эксперимента с применением разработанного комплекса программ.

Реализация результатов работы. Исследования поддержаны Стипендией Президента Российской Федерации для молодых учёных и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (проект СП-2069.2018.1 «Исследование и разработка технологии по управлению интенсивностью обменных процессов в турбулентном пограничном слое»), а также при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) в рамках проекта № 16-38-60114 мол а дк «Разработка эффективных систем тепловой защиты поверхностей, обтекаемых высокоскоростными дисперсными потоками». Отдельные результаты получены при финансовой поддержке грантами Президента Российской Федерации (проект МД-1576.2014.8) и РФФИ (проект № 15-48-02275-р а).

Разработанный программный комплекс и методические рекомендации по исследованию обменных процессов в пограничном слое с температурным градиентом при обтекании поверхностей высокоскоростными дисперсными потоками используются в Ульяновской ТЭЦ-1 филиала «Ульяновский» ПАО «Т Плюс» при эксплуатации энергетического оборудования, а также в учебной деятельности Ульяновского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на XV Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Белоруссия, Минск, 2016 г.), XXI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Санкт-Петербург, 2017), на 14-й и 15-й международной конференции по численному анализу и прикладной мате-

матике ICNAAM (Греция, Родос, 2016 и 2018 г., Салоники, 2017 г.), X школе-семинаре молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2016 г.), V молодёжном инновационном форуме (Ульяновск, 2016 г.), VII и X международной молодёжной научной конференции «Гражданская авиация: XXI век» (Ульяновск, 2016 и 2018 гг.), ежегодных отчётных научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета и научно-технических семинарах кафедры «Тепловая и топливная энергетика» в 2016 - 2017 г.г., седьмой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2018).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 8 статей в ведущих рецензируемых изданиях (из них 4 в зарубежных журналах, индексируемых в наукометрических базах Web of Science и Scopus, и 4 статьи в ведущем российском журнале из Перечня ВАК РФ), 2 полезные модели и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Все работы по теме диссертации осуществлены автором лично или при его основном участии: постановка задачи, выбор и разработка метода решения, проведение натурного эксперимента, разработка программного комплекса, проведение расчётов, обработка и обобщение полученных результатов, формирование выводов и заключения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы (108 источников) и 4-ёх приложений, включает 163 страницы машинописного текста, 68 рисунков и 5 таблиц.

1 АНАЛИЗ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Анализ существующих и перспективных способов управления пристенной турбулентностью в условиях температурного градиента

В настоящее время существует два основных пути управления пристенной турбулентностью и теплообменом на поверхности, обтекаемой высокоскоростными потоками газов. Первый из них традиционно базируется на совершенствование формы обтекаемого тела и уровня отделки поверхности (сглаживание швов, клепок и т.д.). По своей сути этот путь направлен на затягивание ламинарного течения на поверхности и перехода его в турбулентное. Однако, при больших числах Рейнольдса 108, например, возникающие при движении гражданского самолета, совершенствование формы поверхности становится затруднительным мероприятием и во многих случаях экономически невыгодным в силу затрат на дорогостоящие материалы и исследования. Поэтому напрашивается вывод о том, что такой подход к управлению пристенной турбулентностью в высокоскоростных потоках практически исчерпал свои резервы [75, 78]. Второй путь основан на применении методов по управлению структурой пристенной турбулентности: активные (вдув газа, периодический вдув/отсос, синтетические струи, осцилляция стенки, нагрев/охлаждение пограничного слоя, микроэлектромеханические системы, подвод энергии и диэлектрический барьерный разряд) и пассивные (податливые стенки, лунки, шероховатость, охлаждение поверхности, демпфирующие полости, пассивные пористые стенки) методы воздействия на структуру пристенной турбулентности [43, 47, 96]. Ключевое отличие между методами управления пристенной турбулентностью заключается в механизме воздействия. Механизм воздействия пассивного способа остается неизменным в период эксплуатации устройства и может воздействовать на турбулентность только в оптимальном режиме. У активного способа механизм воздействия может изменять свои количественные показатели (рас-

ход воздуха, энергии, тепла и т.д.), что даёт возможность для манёвров и позволяет подстраиваться к изменяющимся режимам турбулентности и эксплуатировать оборудование в широком диапазоне нагрузок.

С середины прошлого столетия, когда темпы роста жаропрочных материалов проточной части двигателей начали значительно уступать начальной температуре газов, началось активное изучение методов управления турбулентным потоком с целью защиты поверхности от перегрева и разрушения. На рисунке представлена схема, отображающая вариацию управления турбулентностью (рис. 1.1).

Рисунок 1.1- Схема, отображающая вариацию управления турбулентностью [95]

Активные методы воздействия более разнообразны по способам взаимодействия с пограничным слоем. Широкий спектр способов связан с тем, что активные методы воздействия позволяют достичь более эффекгивного управления турбулентностью, но затрачивают при этом энергию. И в определенных случаях затраты энергии на управление могут быть значительными, что сказывается на общем КПД. Под энергией подразумеваются воздействия, которые за-

трачивают часть мощности самого двигателя и действуют на пограничный слой в виде магнитного поля или разрядов электрической энергии, вдув в пограничный слой или отсос из него, местный нагрев или охлаждение, звуковые волны и механические воздействия, которые приводят к движению объекты. В связи с этим обстоятельством пассивные методы воздействия широко распространены, так как не требуют затрат энергии для управления турбулентностью.

Многие современные методы воздействия на пристенную турбулентность способны эффективно функционировать и в условиях температурного градиента. Рассмотрим и выделим из них наиболее распространённые:

1.1.1 Активные способы управления пристенной турбулентностью

Воздействие электрических и магнитных полей.

Воздействие электрических и магнитных полей является актуальным направлением, но требует больших энергетических затрат, что делает их в свою очередь зачастую неоправданными. Для управления необходимо, чтобы среда имела определённые свойства, которые позволят воздействовать на неё магнитным или электрическим полям. В случае воздействия первого наиболее эффективным будет условие, при котором силовые линии магнитного поля будут располагаться вдоль обтекаемой поверхности [7, 45, 76, 81].

Периодические колебания параметров.

Нестационарному турбулентному течению с периодическими колебаниями посвящено множество исследовательских работ [11, 14, 87, 89, 92]. Нестационарность, выраженная в колебаниях основных параметров потока, может иметь различный характер. Например, может меняться давление, температура, уровень шума, характеристика потока, а также его направление. Одним из наиболее высокоэффективных способов управления пограничным слоем является вдув и отсос из пограничного слоя, рассмотренные в работах [4, 9, 80, 96, 105], через проницаемую поверхность.

На поток могут накладываться акустические воздействия, от внутренних или внешних факторов, возникающих при обтекании поверхностей. Заметаев В.Б., [21] отмечает, что при наложении высоких акустических колебаний, возможно, изменять расход среды. В результате данного воздействия увеличивается теплоотдача по сравнению со случаем отсутствия колебаний. Автором отмечается изменение структуры пограничного слоя при нестационарном теплообмене.

Проницаемые и пористые поверхности

Наиболее эффективными способами по управлению пограничным слоем и его параметрами является воздействие на него через пористые и проницаемые поверхности. Вопрос применение вдува и отсоса в пограничный слой рассматривается большим числом исследователей и находит применение в огромном количестве узлов и агрегатов. Воздействия данного способа на пограничный слой рассматривались Кутателадзе С.С., Леонтьевым А.И., Лыковым A.B., Волчковым Э.П., Корниловым В.И., и другими исследователями [42, 43, 50, 72, 96].

Волчков Э.П. в своих работах отмечает [9, 105], что на сегодняшний день процесс вдува и управления пограничным слоем достаточно хорошо изучены. При воздействии на пограничный слой посредством вдува удаётся значительно снизить сопротивление трения на поверхности, снижая тепломассоперенос на поверхности. Благодаря такому способу воздействия есть возможность управления потоком в широком диапазоне условий. В ходе исследований, проведённых отечественными и зарубежными учёными [46, 48, 73, 102], отмечено, что на структуру потока оказывают влияние геометрические характеристики отверстий (размер, угол наклона, форма, высота и т.д.). Учитывая всё это, возможно разработать высокоэффективные системы по управлению пограничным слоем как в дозвуковых, так и сверхзвуковых потоках.

Резюмируя, следует отметить, что все эффективные способы по активному управлению пограничным слоем затрачивают значительную энергию, но при этом в большей степени позволяют эффективнее использовать оборудование.

1.1.2. Пассивные способы управления пристенной турбулентностью

Дискретная шероховатость, выступы, каверны, лупки.

Воздействие дискретной шероховатости на пограничный слой рассматривается в работах [15, 18, 79, 101]. Дискретная шероховатость позволяет развивать высокотурбулентный пограничный слой непосредственно вблизи стенки, интенсифицируя теплоотдачу потока совместно с повышением сопротивления трения на поверхности.

Каверны могут иметь различные геометрические черты и иметь разнообразные характеристики. Особый интерес исследователей последние 20 лет проявляется к поверхностям с кавернами полусферической формы. Такой тип позволяет значительно интенсифицировать теплообмен на поверхности без резкого увеличения сопротивления трения на поверхности, что подтверждается в работах Дрейцера, Г. А., МюЬеЦ$. Т. [16, 17, 73, 77, 95]. Возможность увеличения турбулентного теплообмена с применением поперечно расположенных каверн исследовалась в работах Терехова В.И., Ярыгиной Н.И., Дьяченко А.Ю. [65], а также рассматривалась в работе Леонтьева А.И. [47].

Работы Михеева А.Н. и Молочникова В.М. посвящены изучению структуры потоков при разнородных течениях и воздействиях [97, 98]. В работе [98] приводятся результаты исследования теплоотдачи пульсирующего потока вокруг цилиндров, где отмечаются границы режимов обтекания поверхности, приведены новые числа подобия для рассматриваемых условий и представлены результаты экспериментальных исследований.

В работах Гортышова Ю.Ф. [12] рассматривались воздействия на пограничный слой цилиндрическими лунками. При воздействии лунок можно добиться интенсификации процесса теплообмена за счёт турбулизации пограничного слоя. Стоит отметить, что под влиянием турбулентных вихрей увеличивается сопротивление каналов, что значительно снижает эффективность установок. В связи с этим необходимо конструктивно подходить к вопросу оптимизации поверхностей. Средняя теплоотдача каналов при минимальном увеличении их сопротивления достигает до 18%, что является хорошим показателем для такого рода интенсификаторов.

Вихрегенераторы и ламинаризующие пластины

Одним из наиболее распространённых способов управления пограничным слоем является воздействие вихрегенераторов и ламинаризаторов. За счёт простоты и эффективности такие способы широко распространены и достаточно хорошо изучены. К примеру, турбулизация пограничного слоя может быть вызвана следующими видами вихрегенераторов: резьба, ребра, канавки, выступы дискретной шероховатости, пластины, ленты и т.д., многие из этих устройств рассмотрены в работах: [17, 19, 82, 84, 102] и позволяют эффективно воздействовать на пограничный слой. Применение кольцевых турбулизаторов в трубах позволяет значительно увеличить теплоотдачу, при малом увеличении сопротивления трения на поверхности. Данные системы более эффективны, чем шнековые вставки, так как располагаются вдоль стенки и не имеют прямого воздействия на поток. К примеру, в работе Литвиненко М.В. [49] анализировалась возможность снижения сопротивления трения с помощью разрушения вихрей в пограничном слое посредством продольного микрооребрения поверхности. По результатам исследования установлено значительное снижение сопротивления трения для пассивного метода управления, в диапазоне чисел Яе Рейнольдса (2 - 7)10е снижение трения составило 16% .

1.2 Тепломассообмен и трение дисперсного потока в пограничном

слое

Силы вязкости, действующие на высокоскоростной поток в поперечном направлении, изменяют скорость газа на поверхности обтекаемого тела от максимального на внешней границе пограничного слоя, до нуля на её поверхности. Основной причиной высокой вязкости потока в пограничном слое является его турбулентность [52]. На (рис. 1.2) изображено развитие пограничного слоя на плоской поверхности, где толщина пограничного слоя 8 непрерывно увеличивается. Если измерять скорость движения и относительно направления у, то получим кривую распределения скорости в пограничном слое и(у).

>

Рисунок 1.2 - Пограничный слой на поверхности пластины

Следовательно, весь движущийся поток на поверхности можно разделить на две условные части: пограничный слой, где проявляется воздействие сил вязкости и основной поток за внешней границей пограничного слоя. На некотором расстоянии х от начала движения пограничного слоя начинает развиваться переходная зона, за которой следует развитая турбулентность. Переход между режимами течения в пограничном слое (ламинарный, переходный, турбулент-

Ламннарная зона

зона

Турбулентная юна

Переходная

Внешняя граннца пограннчного слоя

ный) происходит при критических значениях числа Рейнольдса Кекр. Точное определение области перехода в пограничном слое обусловлено большим количеством параметров [78, 96]. Кроме того, существенное значение имеет переходная зона пограничного слоя, которая может быть весьма протяженной и превосходить по длине участок с ламинарным режимом течения. Опытным путем установлено, что на теплоизолированной поверхности критическое число Рейнольдса зависит от числа Маха [94], также опытным путем установлено, что на тонкой теплоизолированной пластине такой переход имеет место при /?екр= 5 • 103. В общем случае число Яе определяется не по расстоянию вдоль поверхности, а по толщине потере импульса [78].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чукалин Андрей Валентинович, 2019 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бондаренко, A.A., Ламинаризация пограничного слоя на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями в ускоряющемся потоке / A.A. Бондаренко, E.H. Коврижных, H.H. Ковальногов // Известия вузов. Авиационная техника. - 2011. - № 1.- С. 41 -44.

2. Бринь, А.А .Броуновское осаждение наночастиц из ламинарного газового потока в трубе / A.A. Бринь, С.П. Фисенко, А.И. Шнип // ЖТФ. - 2008. - Т. 78.-Вып. 9.-С. 41-45.

3. Бубенчиков, М.А. Термофорез ультрамелких и наноразмерных частиц / М.А. Бубенчиков, А.И. Потекаев, A.M. Бубенчиков // Известия высших учебных заведений. Физика. 2013. Т. 56, № 7. С. 57-61.

4. Вараксин, А.Ю. О влиянии вдува газа на защиту поверхностей тел, обтекаемых двухфазным потоком / А.Ю. Вараксин, М.В. Протасов // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55. № 6. С. 785-788.

5. Вараксин, А.Ю. Обтекание тел дисперсными газовыми потоками/ А.Ю. Вараксин// ТВТ, 2018, том 56, выпуск 2, 282-305.

6. Вараксин, А.Ю. Турбулентные течения газа с твердыми частицами / А.Ю. Вараксин. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 192 с.

7. Вараксин, А.Ю. Экспериментальное исследование пульсаций скоростей частиц в турбулентном потоке воздуха в трубе / А.Ю. Вараксин, А.Ф. Поляков // ТВТ. Т.38. - 2000. - № 2. - С. 792-798.

8. Волков, A.B. Метод численного исследования обтекания пространственных конфигураций путём решения уравнений Навье - Стокса на основе схем высокого порядка точности. Дисс. ... докт. Физ.-мат. Наук. // ЦАГИ -Москва, 2010. 189 с.

9. Волчков, Э.П. Тепломассообмен в пристенных течениях /Волчков Э.П., Лебедев В.П. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. - 244 с.

10. Вотажин, А.Б. Газовая динамика. Избранное. В 2 Т. / Под общей ред. А.Н. Крайко. Ред.-сост. А.Н. Крайко, А.Н. Секундов. - 2-е изд. Испр. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 720 и 752 с.

11. Галиуллин, Р.Г. Теория резонансных колебаний пульсирующих течений/ Р.Г. Галиуллин, М.Г. Кузнецов, О.В. Козулина // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 2. С. 67-69.

12. Гортышов, Ю.Ф. Численное моделирование интенсификации теплообмена при движении воды в узком канале с цилиндрическими лунками на нагретой стенке/ Ю.Ф. Гортышов, С.А. Исаев, А.И. Леонтьев //Тепловые процессы в технике. 2013. № 12. С. 542-551.

13. Гортышов, Ю.Ф. Теория и техника теплофизического эксперимента: [Учеб. пособие для инж.-физ. и энергомашиностроит. спец. вузов / Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин и др.]; Под ред. В.К. Щукина. -М. : Энергоатомиздат, 1985. - 360 с.

14. Давлетшин, И.А. Восстановление давления в плоском диффузоре на пульсирующих режимах / Н.И. Михеев, A.A. Паерелий // Известия вузов. Авиационная техника, 2016. №1, с. 87-91.

15. Давлетшин, И.А. Интенсификация теплоотдачи в дискретно-шероховатом канале на пульсирующих режимах течения теплоносителя / И.А. Давлетшин, А.К. Кирилин, Н.И. Михеев // Труды Академэнерго. - 2012. - № 3. -С. 7-16.

16. Дрейцер, Г.А. Математическое моделирование предельного теплообмена за счёт турбулизации потока при турбулентном течении в плоских каналах с односторонними турбулизаторами / Г.А. Дрейцер, И.Е. Лобанов // Техника и технология. 2010. № 5. С. 19-31.

17. Дрейцер, Г.А. Предельная интенсификация теплообмена в трубах за счёт искусственной турбулизации потока / Г.А. Дрейцер, И.Е. Лобанов // Инже-нерно-физический журнал. 2013. Т. 76. № 1. С. 46.

18. Дыбан, Е.П. Тепломассообмен и гидродинамика турбулизированных потоков/ Е.П. Дыбан, Э.Я. Эпик. - Киев: Наукова думка. 1985. 296 с.

19. Енютин, Г.В. Снижение сопротивления труб с риблетным покрытием внутренней поверхности / Г.В. Енютин, Ю.А. Лашков, Н.В. Самойлова // Изв. РАН Механика жидкости и газа. - 1995. - № 1. - С. 57-61.

20. Зайчик, Л.И. Проблемы моделирования газодисперсных турбулентных течений с горением или фазовыми переходами (обзор)/ Л.И. Зайчик, В.А Першуков // Изв. РАН. МЖГ. 1996. №5. С. 3-19.

21. Заметаев, В.Б. Восприимчивость пограничного слоя к внешним звуковым волнам/В.Б. Заметаев, М.А. Кравцова// Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2010. № 2. С. 34-46.

22. Ковальногов, В.Н. Воздействие на турбулентный поток посредством демпфирующих полостей / В.Н. Ковальногов, Р.В. Фёдоров, Л.В. Хахалева, A.B. Чукалин // Вузовская наука в современных условиях: сб. материалов 50-й научно-технической конференции. - Ульяновск: УлГТУ, 2016. - С. 26-29.

23. Ковальногов, В.Н. Новые технические решения на основе математического моделирования лопаточного аппарата турбомашин / В.Н. Ковальногов, Д.В. Генералов, A.B. Чукалин, Р.В. Федоров, A.A. Плеханова // Автоматизация процессов управления. - 2017. - № 3 (49). - С. 43-48.

24. Ковальногов, В.Н. Влияние относительного объёма демпфирующих полостей на сопротивление трения турбулентного потока / В.Н. Ковальногов, Р.В. Фёдоров. Л.В. Хахалева, A.B. Чукалин // XV Международный форум по тепло- и массообмену. - Минск: ИТМО им. A.B. Лыкова НАНБ, 2016. - Т.1. С. 253-257.

25. Ковальногов, В.Н. Исследование турбулентного переноса и температуры в пограничном слое при изменении конфигурации демпфирующих полостей / В.Н. Ковальногов, Р.В. Фёдоров, Л.В. Хахалева, A.B. Чукалин // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: материалы

докладов X школы-семинара молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. - Казань: Академэнерго, 2016. - С. 248-251.

26. Ковальногов, В.Н. Математическое моделирование и численный анализ ламинаризации в перфорированной трубе с демпфирующими полостями / В.Н. Ковальногов, Р.В. Федоров, Л.В. Хахалева, A.B. Чукалин // Автоматизация процессов управления. - 2015. - №4(42). - С.108-114.

27. Ковальногов, В.Н. Математическое моделирование и численный анализ эффективности систем тепловой защиты, поверхностей обтекаемых высокоскоростными потоками / В.Н. Ковальногов, Р.В. Фёдоров, Л.В. Хахалева, A.B. Чукалин // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: материалы докладов X школы-семинара молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. - Казань: Академэнерго, 2016. - С. 62-

28. Ковальногов, В.Н. Математическое моделирование турбулентного потока с воздействиями на основе анализа фрактальной размерности пульсаций давления / В.Н. Ковальногов, Ю.А. Хахалев // Автоматизация процессов управления. - 2013.-№ 1.-С. 47 - 54.

29. Ковальногов, В.Н. Исследование влияния числа демпфирующих полостей на сопротивление трения турбулентного потока / В.Н. Ковальногов, A.B. Чукалин, Л.В. Хахалева // Автоматизация процессов управления. - 2017. - № 1 (47).-С. 34-39.

30. Ковальногов, В.Н. Математическое моделирование и численный анализ эффективности тепловой защиты с применением полусферических демпфирующих полостей / В.Н. Ковальногов, A.B. Чукалин, Л.В. Хахалева, Р.В. Федоров // Автоматизация процессов управления. - 2018. - № 4 (54). - С. 89 -95.

31. Ковальногов, H.H. Коэффициент восстановления температуры и теплоотдача высокоскоростного дисперсного турбулентного потока / H.H. Ковальногов, Л.М. Магазинник, Р.В. Федоров // Тр. 16-й Школы-семинара молодых

ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева. Т.1.

- М.: Изд-во МЭИ, 2007.-С. 170-173.

32. Ковальногов, H.H. Влияние природы газа на эффективность газодинамической температурной стратификации / H.H. Ковальногов, Е.В. Фокеева // Вестник Ульяновского государственного технического университета. - 2010 -№2.-С. 67-69.

33. Ковальногов, H.H. Пограничный слой в потоках с интенсивными воздействиями / H.H. Ковальногов. - Ульяновск: УлГТУ, 1996. 246 с.

34. Ковальногов, H.H. Прикладная механика жидкости и газа / H.H. Ковальногов. - Ульяновск : УлГТУ, 2010. - 211 с.

35. Ковальногов, H.H. Распределение коэффициента восстановления температуры высокоскоростного турбулентного газового потока по длине обтекаемой поверхности / H.H. Ковальногов, Л.М. Магазинник, Р.В. Федоров // Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. Т.2.

- М.: Изд-во МЭИ, 2006. - С. 149 - 152.

36. Ковальногов, H.H. Численный анализ коэффициентов восстановления температуры и теплоотдачи на поверхности, обтекаемой высокоскоростным турбулентным потоком воздуха / H.H. Ковальногов, Р.В. Федоров // Известия вузов. Авиационная техника. - 2007 - № 3. - С. 30-34.

37. Ковальногов, H.H., Сторожик, В.Г. Гидрогазодинамика: Лабораторный практикум. - Изд. 2-е. - Ульяновск: УлГТУ, 2002. - 72 с.

38. Ковальногов, H.H. Моделирование процессов ламинаризации течения в перфорированной трубе с демпфирующими полостями / H.H. Ковальногов, Л.В. Хахалева // Сборник материалов II Международной научно-технической конференции Современные научно-технические проблемы транспорта России.

- Ульяновск. УВАУГА. 2002. С. 86 - 91.

39. Ковальногов, H.H. Моделирование процессов теплоотдачи турбулентного потока в перфорированной трубе с демпфирующими полостями / H.H.

Ковальногов, Jl.В. Хахалева, Е.К. Ермолаева // Труды 3-й Рос. нац. конф. по теплообмену.-М.: МЭИ. 2002. Т. С. 20-21.

40. Коврижных, E.H. Экспериментальное исследование спектра турбулентных пульсаций давления в демпфирующей полости/ E.H. Коврижных, А.Н. Мирошин, A.B. Сучков // Научный вестник МГТУ ГА. - 2015 - №211 (1). - С. 132-135.

41. Комкин, А.И. Характеристики поглощения резонатор Гельмгольца/ А.И. Комкин, М.А. Миронов, С.И. Юдин // Акустический институт им. акад. H.H. Андреева. - Москва. 2015. С. 68-73.

42. Корнилов, В.И. Пути и возможности повышения эффективности управления вдувом через проницаемую стенку и перспективы его использования/ В.И. Корнилов, A.B. Бойко // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2016. №2 (45). С.50-70.

43. Кутателадзе, С.С. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое/ С.С. Кутателадзе, А.И. Леонтьев. - М.: Энергоатомиздат. 1985. 319 с.

44. Лапин, Ю.В. Алгебраические модели турбулентности для пристенных канонических течений / Ю.В. Лапин, A.B. Гарбарук, М.Х. Стрелец. - Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2004. - 32 с.

45. Лапушкина, Т.А. Изменение давления у поверхности обтекаемого сверхзвуковым потоком тела магнитодинамическим методом / Т.А. Лапушкина, A.B. Ерофеев, С.А. Поняев // Журнал технической физики. 2014. Т. 84. № 7. С. 24-29.

46. Лебедев, A.B., Швайковский, Ю.В. Экспериментальное исследование распределения скорости и турбулентных характеристик в газовой завесе. ТВТ, 3:4 (1965), 569-576

47. Леонтьев, А.И. Теория тепломассообмена/А.И. Леонтьев, С.И. Исаев, И.А. Кожинов.- Москва, 2017. -464 с.

48. Леонтьев, А.И. Особенности теплообмена на проницаемой поверхности / А.И. Леонтьев, В.Г. Лущик, А.Е. Якубенко А.Е.// - Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ. 2010. Т. 2. С. 154- 157.

49. Литвиненко, М.В. Экспериментальное исследование продольных структур в струях / М.В. Литвиненко, Ю.А. Литвиненко, В.В. Козлов, Г.Р. Грек // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2013. № 1 (12). С. 42-47.

50. Лущик, В.Г. Теплообмен при течении газа в трубе с проницаемыми стенками / Лущик В.Г., Макарова М.С.// - Труды Шестой Российской национальной конференции по теплообмену 2014. С. 236-239.

51. Лущик, В.Г. Сверхзвуковой пограничный слой на пластине. Сравнение расчета с экспериментом / В.Г. Лущик, А.Е. Якубенко // Известия РАН. МЖГ. -1998. - № 6. - С. 64-78.

52. Лыков, A.B. Тепломассообмен: Справочник. — М.: Энергия, 1980. —

623 с.

53. Макаров, М.С. Газодинамическая температурная стратификация в сверхзвуковых потоках: диссертация канд. физ.-мат. наук: 01.04.14 / М. С. Макаров. - Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2007 - 154 с.

54. Мухачев, Г.А. Термодинамика и теплоотдача / Г.А. Мухачёв, В.К. Щукин. - М.: Высшая школа, 1991. -480 с.

55. Нигматулин, Р.И. Основы гидромеханики / Р.И. Нигматулин, A.A. Соловьев. - Москва : Литтерра, 2012. - 399 с.

56. Пасконов, В.М. Численное моделирование процессов тепло- и массо-обмена. / В.М. Пасконов, В.И. Полежаев, Л.А. Чудов.- М.: Наука, 1984. - 288 с.

57. Пат. на полезную модель № 173450 Российская Федерация: МПК F23R3/06 Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя с демпфирующими полостями / Ковальногов В.Н., Фёдоров Р.В., Хахалева Л.В., Чукалин

A.B., Корнилова М.И.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. тех. ун-т - № 2016144774; опубл. 28.08.2017, Бюл. № 25.

58. Пат. на полезную модель № 186044 Российская Федерация: МПК F15D1/06 Демпфирующая поверхность / Ковальногов В.Н., Федоров Р.В., Чука-лин A.B., Хахалева J1.B.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. тех. ун-т -№2018131418; опубл. 27.12.2018, Бюл. № 36.

59. Плоткина, В.А. История развития теории пограничного слоя (XIX -XX века) / В.А. Плоткина, П.А. Стародубцев // Журнал «История науки и техники» - М.: ООО Изд. «Научтехлитиздат», 2014. №4. С. 3-12.

60. Программный комплекс для моделирования и исследования эффективных систем тепловой защиты поверхностей, обтекаемых высокосортными дисперсными потоками [Электронный ресурс]: програм. продукт / Чукалин A.B., Ковальногов В.Н., Фёдоров Р.В.; УлГТУ. - Свид. о гос. per. программы для ЭВМ №2017661244.

61. Романенко, П.Н. Гидродинамика и тепломассообмен в пограничном слое / П.Н. Романенко. - М.: Энергия, 1974. - 464 с.

62. Саттер, Г. Решение сложных задач на С++ / Саттер Г. - М: Вильяме, 2015.-400 с.

63. Себиси, Т. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы / Т. Себиси, П. Брэдшоу. - М.: Мир, 1987. - С. 594.

64. Терехов, В.И. Влияние частиц на структуру течения и дисперсию твердой примеси в двухфазной осесимметричной струе / В.И. Терехов, М.А. Пахомов //Журн. техн. физики. - 2011. - Т. 81, № 10. - С. 27-35.

65. Терехов, В. И. Интенсификация теплоотдачи при перестройке течения в поперечной наклонной каверне / В. И. Терехов, Н. И. Ярыгина, А. Ю. Дьяченко // Тезисы докладов XXVI Сибирского теплофизического семинара - Сибирского теплофизического семинара - Новосибирск : Ин-т теплофизики СО РАН, 2002. - С. 235-236.

66. Чукалин, A.B. Исследование влияния формы демпфирующей полости на турбулентный пограничный слой / A.B. Чукалин // Вузовская наука в современных условиях: сб. материалов 51-й научно-технической конференции. -Ульяновск: УлГТУ, 2017. - С. 30-33.

67. Чукалин, A.B. Экспериментальное исследование пограничного слоя на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями / A.B. Чукалин, В.Н. Ковальногов, Р.В. Фёдоров, A.A. Бондаренко, А.Н. Мирошин // Труды седьмой Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Издат. дом МЭИ, 2018. - Т.2. - С.373 - 376.

68. Чукалин, A.B. Перфорированная поверхность с демпфирующими полостями и её применение в системах тепловой защиты / Чукалин A.B. // Пятый молодёжный инновационный форум. - Ульяновск: УлГТУ, 2016. - С. 462-465.

69. Чукалин, A.B. Экспериментальное исследование сопротивления трения при обтекании поверхностей с демпфирующими полостями / Чукалин A.B. // Сборник VIII международной молодежной научной конференции. - Ульяновск: УИ ГА, 2016.-С. 251-252.

70. Чукалин, A.B. Математическое моделирование и анализ турбулентного переноса на демпфирующей поверхности / Чукалин A.B. // Сборник X международной молодёжной научной конференции. - Ульяновск: У И ГА, 2018. - С. 223 - 224.

71. Чукалин A.B. Численное исследование эффективности тепловой защиты поверхности, обтекаемой высокосортными потоками, за счёт демпфирующих полостей / В.Н. Ковальногов, A.B. Чукалин, В.Н. Ковальногов, Р.В. Фёдоров, Л.В. Хахалева // Тезисы докладов XXI Школы - семинара молодых учёных и специалистов под руководством акад. РАН Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках».- Санкт-Петербург: Издат. дом МЭИ, 2017. - Т.2. - С. 270-272.

72. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя. / Г. Шлихтинг.- М.: Наука, 1974. 712 с.

73. Щукин, А.В. Пристенная интенсификация теплообмена при сложных граничных условиях: моногр. / А. В. Щукин, А. В. Ильинков ; Казан, гос. техн. ун-т им. А.Н. Туполева - КАИ. - Казань: Изд-во КАИ, 2014. - 252 с.

74. Якимов, А.С. Математическое моделирование тепловой защиты и некоторых задач тепломассообмена / А.С. Якимов.- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2015.-214с.

75. Abbas, A. Aerodynamic technologies to improve aircraft performance / A. Abbas, J. de Vicente, E. Valero // Aerospace Science and Technology. - 28. 2013. -P. 100-132.

76. Berlemont, A. Coupling level set/vof/ghost fluid methods: Validation and application to 3d simulation of the primary break-up of a liquid jet / A. Berlemont, T. Menard, S. Tanguy // International Journal of Multiphase Flow. - 2007 - vol. 33. -№. 5,-P. 510-524.

77. Burgos, J. Numerical study of laminar mixed convection in a square open cavity/ J. Burgos, I. Cuesta, C. Saluena // International Journal of Heat and mass Transfer. - 99. - 2016. - P. 599-612.

78. Ermolaev Y. G., Kosinov A. D., and Semionov N. V. Experimental investigation of stability of supersonic boundary layer on a swept wing at M = 2. TsAGI Sci. J. 42(1), 1 (2011).

79. Fisenko, S.P. and Shnip, A.I. Physics, Chemistry and Applications of Nanostructures / eds. by V.E. Gaponenko, V.S. Gurin. - Singapore: World Scientific, 2003.-P. 291-293.

80. Francesco, V. An Innovative plate heat exchanger of enhanced compactness / V. Francesco, C. Lionel, R. Philippe, L. Emmanuel // Applied Thermal Engineering 87 (2015). P. 826-838.

81. Genin, L.G. Hydrodynamics and heat transfer in electroconducting fluid flow in a plane channel on a longitudinal magnetic field / L.G. Genin, Т.Е. Kras-noshchekova // Heat Transfer Research. 2000. Т. 31. № 4. P. 277-281.

82. Goltsman, A. E.Shear stresses in turbulent pulsating channel flow / A.E. Goltsman, N.I. Mikheev // Thermophysics and Aeromechanics. 2015, Volume 22, Issue 3, P 319-328.

83. Hirsch, C. Numerical computation of internal and external flows/ C.Hirsch.- Vol. 1 and 2. - John Wiley and Sons, 1988.

84. Isaev, S.A. Numerical simulation of the turbulent air flow in the narrow channel with a heated wall and a spherical dimple placed it for vortex heat transfer enhancement depending on the dimple depth / S.A. Isaev, A.V. Schelchkov, A.I. Le-ontiev, P. A. Baranov// International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 94, P. 426-448.

85. Karaca, C. DNS of unsteady effects on the control of laminar separated boundary layers/C. Karaca, A.G. Gungor// European Journal of Mechanics B/Fluids. -56.-2016.-P.71 -81.

86. Kornilov, V. I. Current state and prospects of researches on the control of turbulent boundary layer by air blowing/ V.I. Kornilov // Progress in Aerospace Sciences. - 76. - 2015. - P. 1-23.

87. Kovalnogov, V.N. Mathematic modeling of convective heat transfer and friction of plate at harmonic pressure oscillations of a homogeneous flow / V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, A.V. Chukalin, D.V. Suranov // AIP Conference Proceedings, 1978,470023 (2018); doi: 10.1063/1.5044093.

88. Kovalnogov, V.N. Application of the results of experimental and numerical turbulent flow re-searches based on pressure pulsations analysis / V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, Y.A. Khakhalev, A.V. Chukalin // AIP Conference Proceedings, 1863,560018 (2017); doi: 10.1063/1.4992701.

89. Kovalnogov, V.N. The mechanism and theoretical basis of the management of intensity of the heat transfer control through periodic influences on the turbulent boundary layer / V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, L.V. Khakhaleva, A.V. Chukalin // AIP Conference Proceedings, 1863, 560016 (2017); doi: 10.1063/1.4992699.

90. Kovalnogov, V.N. Development and investigation of the technologies involving thermal protection of surfaces immersed in disperse working medium flow / V.N. Kovalnogov, R.V. Fedorov, L.V. Khakhaleva, D.A. Generalov, A.V. Chukalin // International Journal of Energy for a Clean Environment. - 2016. - №17 (2-4). - P. 223-239.

91. Kulick, J.D. Particle response and turbulence modification in folly developed channel flow / J.D. Kulick, J. R. Fessier, J.K. Eaton // J. Fluid Mech. - 1994. -Vol.277.-P. 109-134.

92. Kuryachii, A.P. Electrogasdynamic laminar flow control on a swept wing / A.P. Kuryachii, S.L. Chernyshev, M.D. Gamirullin, V.M. Litvinov // Aerospace Science and Technology. 2016. T. 59. P. 155-161.

93. Leontev, A.I. Heat and mass transfer in a tube with permeable walls: influence of suction and the Prandtlnuber / A.I. Leontev,V.G. Lushchik,M.S. Makarova// Eight International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer Proceedings. 2015. P. 145-147.

94. Leontev, A.I. Temperature stratification under suction of the boundary layer from a supersonic flow / A.I. Leontev, V.G. Lushchik, M.S.Makarova // High Temperature. 2012. T. 50. № 6. C. 739-743.

95. Lofdahl, L.MEMS applications in turbulence and flow control / L. Lofdahl, M. Gad-el-Hak // Progress in aerospace Sci. - 1999. - Vol. 35. - P. 101-203.

96. Michelis, T. Boundary Layer Separation: Diagnostic and Control/ T.Michelis // Delft University of Technology.- 2017.- P. 159.

97. Miheev, N.I. Hot-wire measurements with automatic compensation of ambient temperature changes / N.I. Miheev, V.M. Molochnikov, D.V. Kratirov, K.R. Hayrnasov // Thermal Science.- 2015.- Vol.19.- No.2.- P.509-520

98. Mikheev, N.I. Hydrodynamics and heat transfer of pulsating flow around a cylinder / N.I. Mikheev, V.M. Molochnikov, A.N. Mikheev, O.A. Dushina// International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. T. 109. C. 254-265.

99. Mohamed, G.Ghorab. Cooling performance and flow-field analysis of a hybrid scheme with different outlet configurations/ G.Ghorab. Mohamed // Applied Thermal Engineering. 2013. Vol. 61, Issue 2, P. 799-816.

100. Schlichting, H. Boundary-layer theory/ H.Schlichting, K. Gersten // New-York: Springer, 2000, 800 p.

101. Sompol, S. Thermal performance in solar air heater channel with combined wavy-groove and perforated-delta wing vortex generators / S. Sompol, P. Pongjet, T. Chinaruk, P. Monsak // Applied Thermal Engineering, Vol. 100. 2016. P. 611-620.

102. Stanewsky, E. Adaptive wing and flow control technology/ E. Stanewsky // Progress in Aerospace Science. - 37. - 2001. - P. 583-667.

103. Tuacke, J. Large Eddy Simulation for Turbines: Methodologies, costs and Future Outlooks / J. Tuacke, P. Tucker // Journal of turbomachinery, 2014, Vol. 136.

104. Tucker, P. Hybrid LES Approach for practical Turbomachinery Flows. Part I and II/ P.Tucker// Journal of turbomachinery, 2012, Vol. 134.

105. Volchkov E.P. Concerning the heat and mass transfer no permeable surfaces / E.P. Volchkov // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006. T. 49. № 3-4. C. 755-762.

106. Weigand, B. An extended Kays and Crawford turbulent Prandtl number model / B. Weigand, J.R. Ferguson, M.E. Crawford // Int. J. Heat Mass Transfer. -1997. - Vol.40. - № 17 - P. 4191-4196.

107. Wen, B. Effect of structural factors on maximum aerodynamic heat flux of strut leading surface / B. Wen, Z. Youhai, C. Juntao, Y. Daren // Applied Thermal Engineering. - 69. - 2014. - P. 188 - 198.

108. Wen-Tao Ji. Summary and evaluation on single-phase heat transfer enhancement techniques of liquid laminar and turbulent pipe flow/ Ji.Wen-Tao, M. Ja-cobi. Anthony, He.Ya-Ling, Tao. Wen-Quan //International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Vol. 88, P. 735-754.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Свидетельство о государственной регистрации программы

РФССЖЙСЖАЯ ФТЦЩРМЩЖ

Д Д а д д

V ■

№ %

& & $

«I

а

ая

СВИДЕТЕЛЬСТВО

о гвсгирспешюй ргшстршни ярогрямчм ги IBM

JV» 2017661244

Программный комплексдоямак/шрошжни и исс к'итиннн

♦ффскпивных систем теп.ккшй зашиты поверхностей, обтекаемых высокоскоросшыми шспсрснымк потоками

ШМММННМь фсчУерыьпое государственное ЬпнУжгтиое ехумгдомипе jmw учреждение высшем обрн чыашш *У.гилмп дми «ччублрстшемиыи технический университет* (Rl)

/Uiojiu: Федоров Руслян й.1ш)и.чиро*ич 1RI% канниьтк'ош ßi*(H*t ш Никатевич fRL'h Чуклчии 1 нлрен Вментинович

/В!,')

' 1мм» ЯМ7*1ЖШ1

Лдгв пзсп&мма lÜMBIKII 201? I.

Лля ro<>japc пынк А p«rvrrp«ii»»

м Fmifc и*«* ia тем 4M октмбря 2017 г*

^UMUlMUAi dVtilfUihMr« iJiacAw пи «мак iiCAMiuiMtiiü tu& jMMmivmi

Г/7 /Viпи*«

В

HR HR HR

НИ

BOfliiKftiiiiMassfiivfiffBf»

RRHRRRRRfl

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Оборудование и методика измерения параметров

пограничного слоя

С целью определения достоверности метода математического моделирования и расширения теории о природе взаимодействия полусферических демпфирующих полостей с высокоскоростным потоком предпринят натурный эксперимент. Для исследования применялся метод термоанемометрического измерения [13, 37]. Основные результаты исследования турбулентного пограничного слоя на поверхности с полусферическими демпфирующими полостями представлены в работах [24, 29, 66, 67].

Экспериментальная установка и оборудование для исследования

турбулентного потока

Для проведения экспериментального исследования использовался экспериментальный комплекс, схематично представленный на (рис. АЛ), состоящий

• аэродинамической трубы,

• многофункционального термоанемометра ИРВИС - ТА 5.2, с прибора-

о микровольтметр ВЗ-57, о вольтметр В7-38, о осциллограф, •градуировочной установки

Значение средней скорости потока определялось с помощью наклонного микроманометра ММН-240(5)-1, давление измерялось барометром-анеройд БАММ-1, а температура потока измерялась многофункциональным измерительным прибором Те8К)-435. Для перемещения датчика термоанемометра использовалось координатное устройство с микрометром часового типа.

Вольтметр переменного тока

Осциллограф

Вольтметр постоянного тока

Термоанемометр

Прибор Testo 435

Координатное устройство Сотовый

Экспериментальный

Рабочая *зсть вентилятора

Электродзигатель

Направляющий аппарат

Рисунок А. 1 - Блок-схема экспериментального участка

На (рис. А.2) представлена дозвуковая аэродинамическая труба, предназначенная для исследовательских и учебных задач. Рабочий участок аэродинамической трубы квадратного сечения 384 мм х 384 мм, и имеет длину 3000 мм. Аэродинамическая труба разомкнутого типа, непрерывного действия, работающая на отсасывание.

Основные технические характеристики:

• скорость в рабочей части 0-30 м/с;

• расход воздуха до 6 куб. м/с;

• температура комнатная;

• мощность привода 5,5 кВт;

• габаритные размеры 6800x1200x1775 мм;

• сечение рабочей части 384x384 мм.

Рисунок А.2 - Экспериментальный комплекс

Все измерения пограничного слоя проводились в экспериментальной части установки. Габариты экспериментальной части позволяют в ней размещать поверхности длиной 0,75 м и шириной 0,382 м. С целью образования развитой турбулентности в пограничном слое, установка содержит предвключенный участок длинной 2250 мм. Число Рейнольдса, рассчитанное по параметрам экспериментальной установки, изменялось в диапазоне (2,14-5-4,05)-106 при скоростях в ядре потока от 8 м/с до 22 м/с, что отображает наличие развившегося турбулентного пограничного слоя в экспериментальной части установки.

Экспериментальная область представлена на (рис. А.З). Экспериментальная поверхность состоит из первого, взаимодействующего с потоком слоя, выполненного из дюралюминиевого листа толщиной 1 мм, на поверхности которого содержатся перфорационные отверстия, диаметром 0,8 мм каждое, пред-

назначенные для связи демпфирующей полости с потоком. Демпфирующие полости выполнены методом сверления в монолитном поликарбонатном листе толщиной 12 мм. Между листами из дюралюминия и поликарбоната расположена герметизирующая резиновая прокладка, предотвращающая перетоки между демпфирующими полостями. Демпфирующие полости выполнены в виде полусферы, путём сверления поверхности шаровой фрезой.

а) б)

Рисунок А.З - Экспериментальная область аэродинамической трубы: а -экспериментальный участок с полусферическими демпфирующими полостями; б - схематичное изображение экспериментальной поверхности

Экспериментальное исследование турбулентного пограничного слоя было проведено для ряда поверхностей с габаритами: длина 750 мм, ширина 382 мм, площадь 288 см2. Для эксперимента было изготовлено 3 поверхности с разными по объему полусферическими демпфирующими полостями. Геометрические характеристики полостей представлены в таблице А. 1.

Таблица А. 1

Габариты полостей

№ поверхности Высота полости, мм Радиус полости, мм Объем полости, см3

1 5 5,5 0,3

2 8 5,5 0,575

3 10 5,5 0,690

На (рис.А.4) представлен поликарбонатный лист с полусферическими демпфирующими полостями в количестве 588 штук, и дюралюминиевый лист, содержащий перфорационные отверстия в количестве 1176 штук с общей площадью перфорации поверхности 5,9 см2.

а) б)

Рисунок А.4 - Экспериментальная поверхность: а - поликарбонатный лист с полусферическими полостями; б - дюралюминиевый лист с перфорационными отверстиями

Движение датчика в пограничном слое осуществляется с помощью координатного устройства. Вращая лимб координатника, показанного на (рис. А.5), перемещается датчик термоанемометра относительно поверхности по оси^.

Рисунок А.5 - Координатное устройство с индикатором часового типа

ИЧ-10

Подготовка оборудования и методика проведения эксперимента

Эксперимент проведён методом термоанемометрического измерения скорости в пограничном слое. Относительная погрешность измерений, рассчитанная по результатам экспериментов, составляет ± 3%.

Предварительно, перед началом измерений датчик проходит градуировку, в ходе которой строится зависимость между изменением скорости потока и изменением выходных параметров термоанемометра. Для эксперимента применялся усовершенствованный термоанемометр ИРВИС - ТА 5.2, отличительной особенностью которого является постоянно поддерживаемое сопротивление преобразователя. Конструкция датчика представлена на (рис. А.6). Ток и напряжение, которые затрачиваются для компенсации нагрева нити, являются измеряемыми величинами, характеризующими текущие параметры пограничного слоя. К преимуществу данного типа термоанемометра можно отнести:

• эффективный датчик термоанемометра, который имеет У образную форму, что не вызывает дополнительных вихреобразовании в потоке;

• быстрая отзывчивость датчика за счёт компенсационного нагрева нити, что позволяет термоанемометру быстро реагировать на изменения в пограничном слое;

• малая погрешность измерений;

Рисунок А.6 - Датчик термоанемометра: а - схематичный вид датчика: 1 корпус 2 нагреваемая нить, 3 - держатели; б - натуральный вид датчика

Градуировка датчика термоанемометра выполнялась в аэродинамической трубе на гладкой поверхности, по известным методикам, изложенным в [13, 37]. Градуировка датчика проводилась следующим образом: чувствительная часть датчика термоанемометра вводится в канал перпендикулярно направлению потока. Для регистрации характеристик потока, в канал установлены датчики давления (датчик полного и статического давления). Для точной градуировки необходимо соблюдать условие расположения датчиков давления для снятия точных характеристик потока. Скорость потока в канале определялась путём измерения полного и статического давления, помощью микроманометра, по формуле:

а)

б)

(А.1)

где ра атмосферное давление; Т температура потока; ро плотность; ра° атмосферное давление при нормальных условиях; То абсолютная температура при нормальных условиях; И - высота столба жидкости в микроманометре, в мм; К постоянный коэффициент; ускорение силы тяжести 9,81 м/с2.

Для определения коэффициентов Е() и В(), применяемых в градуировоч-ном уравнении, используется метод наименьших квадратов. Основываясь на полученных данных о скорости потока и данных термоанемометра (напряжение при движущемся потоке и данных напряжения в состоянии покоя), строится градуировочная зависимость по уравнению:

Ё2 =Е2, +В0и0;5 (А.2)

где Ё - напряжение при движении потока; Е0 - напряжение в состоянии покоя; йх - средняя скорость потока.

Профиль скорости строится по результатам измерений средних скоростей в пограничном слое, далее аппроксимируется прямой линией по методу наименьших квадратов. Тангенс угла наклона этой прямой численно равен Лщ/ду. По формуле Ньютона вычисляется касательное напряжение:

т = ц-((Ш£/<1у) (А.З)

В вязком подслое скорость и напрямую зависит от поперечной координаты и изменяется по линейному закону:

п п

(Зй/Зу)у=о = £ И (А.4)

1 = 1 1 = 1

где п - количество исследуемых точек в вязком подслое.

Коэффициент трения С/определялся на основании имеющихся данных по формуле:

С/= 2-т/р и;*2 (А.5)

где р - плотность воздуха; ж» - скорость невозмущенного потока.

На (рис. А.7) представлены результаты измерения продольной скорости на гладкой поверхности (без полостей) в вязком подслое.

у

Рисунок А.7 - Определение величины д\л/х/(1у на гладкой пластине

Результаты измерений турбулентного трения на гладкой поверхности приведены в таблице А.2. Эксперименты проводились при температуре воздуха в лаборатории 21,5 °С и атмосферном давлении 98800 Па.

Таблица А.2

Результаты экспериментального исследования пограничного слоя на

гладкой поверхности

и, м/с Ь, м Яе аи/с!у, экспериментальное значение СГ теоретическое значение

21,2 2900 4,06*10° 39231 0,00267 0,00277

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Патенты на право интеллектуальной собственности

тстйшАш ФВДРАЩШ россяй-ВВАЯ

СГ1

ДЕМПФИРУЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное обрамватаьное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет "

т

Авторы: Ковальногов Владислав Николаевич (Я11), Федоров Руслан Владимирович (1111), Хахалева Лариса Валерьевна (Я и), Чу калин Андрей Валентинович (ЯП)

I* 2018131418

Приоритет попето* мах.™ 30 августа 2018 Г. Лат» гссуздрстяскной рсгистрижи в Государственной рсестре полетных моделей Российский Фс.крации 27 декабря 2018 г. Срок ,кйс1»и» иасямтшкго ирам

30 августа 2028 г.

Руководитель ФеОерагыюй службы по интеллектуальной собственности

_ ГЛ Иииев

в ж

а-Ейяяаяяяяааяййяяяяя

ЕАТЕЕТ

НА полезную МОДЕЛЬ

М 186044

т, ГО Маааи»

ПАТЕНТ

НА ПО.11)||>0 МОДЕЛЬ

173450

Ъхюоаутс* Фкоерамш* пудпм то мкигтинмй ввФсявпттсяш

■ ИВ

ЖАРОНАЯ ТРУБА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУР6ИШЮ1 О ДВИГАТЕЛЯ С ЛI М и ФИ ГУ К ИДИ Ч И IК >. К К I я м и

Птжкк&шасл. федера.1ьное г/кударственное бюджетное гюриювате. дом* учреждение высшего оораювания "Ульяновский государственный технический университет9

<*Ц)

Лотирм. Ковальногов В-шОис.гав Николаевич (Щ Федоров Рус.юн ЯииЫчирович (КС), Xa.xa.teea Лариса Валерьевна (ЯС'). Чу ко. 1Ш1 Андрей Ваинтшинич (КС), Корнилова Мария Игоревна (ЩЦ)

Ьм * 2#16144"Н4

11ршфтт асыеашА ищем 15 МмГ>ри 2416 I. Дна пчуафлаомаВ рик1|«1м< и I «нудериаеамиа растра ппагашх шх4с.»с« Г*к<иЬло« ^ш.тгтот 2Л Ш><|а М|Т|,

п «ином иоаш и.' кип 15 иивЦм 2*2* г.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акты внедрения результатов кандидатской работы

Филиал «Ульяновский» ПАО «Т Плюс»

Комиссия в составе: Председатель:

Медведев С.С. - технический директор Ульяновской ТЭЦ - 1 филиала «Ульяновский» ПАО «Т ПЛЮС». Члены комиссии:

Полубесов Л В. — заместитель технического директора Ульяновской ТЭЦ - 1 филиала «Ульяновский» ПАО «Т ПЛЮС»,

Панов A.B. - заместитель начальника КТЦ Ульяновской ТЭЦ - 1 филиала «Ульяновский» Г1АО «Т ПЛЮС»,

Подкопаев C.B. - ведущий инженер по эксплуатации КТЦ Ульяновской ТЭЦ - 1 филиала «Ульяновский» ПАО «Т ПЛЮС»,

Составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы: «Математическое моделирование тепловых и турбулентных процессов на теплонагружеииых поверхностях с полусферическими демпфирующими полостями в энергетических установках», представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук, используются в аналитической и учебной деятельности на Ульяновской ТЭЦ — 1 филиала «Ульяновский» I IAO «Т ПЛЮС».

С использованием программного комплекса проведены исследования тепловых процессов в дисперсном пограничном слое на теплонагруженных поверхностях котлоагрегата ТГМЕ-464, на основе которых разработаны рекомендаций по ведению режима работы котлоагрегата при сжигании мазута. Использование указанных результатов позволяет: повысить эффективность и надёжность котлоагрегата при работе на резервном топливе (мазуте); повысить уровень подготовки специалистов, занимающихся эксплуатацией котлоагр0™™0

УЛЬЯНОВСК

АКТ

о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Чукалина Андрея Вале!ггцновича

Председатель:

Члены комиссии: Полубссов Д. В.

Панов A.B.

Подкопаев C.B.

УТВЕРЖДАЮ

министерство науки и высшего образования

Исполняющий обязанности ректора ФГБОУ ВО УлГТУ * — ш д п.

На

№ Об

от

АКТ

о внедрении в учебный процесс результатов диссертационной работы Чукалина A.B.

Результаты диссертационной работы Чукалина A.B. «Математическое моделирование тепловых и турбулентных процессов на теплонагруженных поверхностях с полусферическими демпфирующими полостями в энергетических установках», в частности разработанная автором программа для ЭВМ «Программный комплекс для моделирования и исследования эффективных систем тепловой защиты поверхностей, обтекаемых высокосортными дисперсными потоками»,свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017661244, используется в учебном процессе Ульяновского государственного технического университета на кафедре «Тепловая и топливная энергетика» для подготовки магистров по направлению 13.04.01 - «Теплоэнергетика и теплотехника» (практические и лабораторные занятия).

Начальник учебного управления ФГБОУ ВО УлГТУ

И.В. Горбачёв