Трение и теплообмен в пограничном слое на шероховатой поверхности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Чжоу Вэйсин

• Чжоу Вэйсин
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чжоу Вэйсин

Условные основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Анализ литературных данных в пограничном слое на шероховатой поверхности.

1.1. Теплообмен на шероховатой поверхности.

1.2. Геометрическая структура профиля обтекаемой поверхности

1.3. Обтекание шероховатой поверхности.

1.3.1. Влияние шероховатости, турбулентности и теплообмена на Л-Т переход.

1.3.2. Влияние шероховатости на ТПС.

Глава 2. Интегральные соотношения импульса и энергии в пограничном слое и определение параметра аналогии Рейнольдса.

2.1. Интегральное соотношение импульсов.

2.2. Интегральное соотношение энергий.

2.3. Теплообмен и аналогия Рейнольдса.

Глава 3. Законы трения и теплообмена на гладкой и шероховатой поверхности в пограничном слое.

3.1. Законы трения и теплообмена для ламинарного пограничного слоя.

3.2. Законы трения и теплообмена для переходного пограничного слоя.

3.3. Законы трения и теплообмена для турбулентного пограничного слоя.

3.3.1. Законы трения и теплообмена на гидравлически гладкой поверхности.

3.3.2. Законы трения и теплообмена на шероховатой поверхности.

3.4. Значение формпараметра в пограничном слое.

3.4.1. Значение формпараметра в турбулентном пограничном слое.

3.4.2. Значение формпараметра в ламинарном пограничном слое.

3.4.3. Значение формпараметра в переходном пограничном слое.

Глава 4. Расчет параметров пограничного слоя в круглых каналах с шероховатой поверхностью.

4.1. Алгоритм расчета пограничного слоя в круглых каналах с переменной площадью поперечного сечения.

4.2. Общие решения уравнений соотношения импульсов и энергии для ламинарного, переходного и турбулентного пограничного слоя на гладкой и шероховатой поверхности.

4.3. Описание методики численного расчета пограничного слоя.

Глава 5. Сравнение результатов расчета турбулентного пограничного слоя с опытными данными.

5.1. Результаты расчета пограничного слоя в круглых каналах с шероховатыми стенками и сравнение с опытными данными.

5.2. Сравнение результатов расчета пограничного слоя на шероховатой пластине с обобщением Л. Прандтля, Г. Шлихтинга данных Никурадзе для труб с песочной шероховатостью.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трение и теплообмен в пограничном слое на шероховатой поверхности»

Тепловые нагрузки, тепломассоперенос и гидравлическое сопротивление играют определяющую роль при создании различных энергетических и химических установок и теплообменных аппаратов, которые широко используются в народном хозяйстве и различных отраслях техники, поэтому процессам и проблемам теплообмена и гидравлического сопротивления уделяется большое внимание в исследованиях научно-технических организаций различных стран. Одними из главных вопросов в этих исследованиях являются тепловые и силовые взаимодействия стенки и потока газа или жидкости, обтекающего эту стенку. Ответы на эти вопросы позволяют создать совершенные, экономичные и надежно работающие технические устройства бытового и промышленного применения с высокими энерго-массовыми характеристиками.

Методы расчета пограничного слоя основаны на опытных и теоретических исследованиях Прандтля JI., Шлихтинга Г., Кармана Т., Людвиг-Тиллмана В., Ван-Дрийста, Жукаускаса A.A., Иевлева В.М., Авдуевского B.C., Леонтьева А.И., Лойцянского Л.Г. и других [8, 13, 15, 16, 17, 29, 29, 32, 35, 38, 40.]. В них используются законы трения и теплообмена, обобщающие опытные данные в критериальной форме. В большинстве случаев вначале эти законы формулировались для безградиентных течений на гладких и шероховатых поверхностях и для течений в трубах постоянного диаметра. Впоследствии учитывалось влияние таких факторов, как сжимаемость потока, положительный градиент скорости, изменение относительной температуры стенки, влияние высоты неровностей так называемой «песочной шероховатости», введенной Никурадзе [25, 35.] и другими.

Экспериментальные исследования влияния этих факторов производились на поверхностях с искусственно созданной упорядоченной шероховатостью, создаваемой на поверхности обтекаемых тел посредством фрезерования регулярной сетки канавок глубиной и шириной в 1лш [44], или с помощью шариков с одинаковым диаметром с/ = 1.25лш , плотно расположенных на плоскости в правильной решетке [13, 29] и другие. Для естественной шероховатости со случайным расположением и высотой неровностей этого недостаточно. Необходимо исследовать параметры и создать методику расчета пограничного слоя на поверхности с естественной шероховатостью, полученной после механической обработки (точение, фрезерование, шлифование). С этой целью и проведена настоящая работа.

Однако теплообмен и гидравлическое сопротивление в турбулентном пограничном слое на поверхности со случайной профильной шероховатостью при режиме течения в ТПС с полным проявлением шероховатости изучены недостаточно. Большое внимание удалялось так называемой «песочной шероховатости» и другим видам искусственной шероховатости при течении несжимаемой жидкости [38]. Поэтому в диссертации исследовались в основном теплообмен и трение на поверхности с естественной технической шероховатостью, полученной в результате механической обработки обтекаемой поверхности, которая часто встречается в технических изделиях. Причем рассматривались течения жидкости и сжимаемого газа со скоростью обтекания в диапазоне чисел М = 0.2.5, с целью найти ту характерную высоту бугорков случайной шероховатости, которая является определяющей для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления. Учитывая зависимость параметров пограничного слоя от толщины потери импульса, принятую в настоящей работе, эта характерная потери импульса пограничного слоя к некоторой средней высоте неровностей профиля поверхности. высота представляется в форме отношения или толщины

Актуальность тематики диссертации: В практических условиях эксплуатации, при больших числах Рейнольдса, поверхность обтекаемых стенок не может рассматриваться как гидравлически гладкая. Шероховатость обтекаемых газом и жидкостью поверхностей приводит к тому, что трение и теплообмен получаются более высокими, чем на гладких поверхностях, поэтому созданная в работе методика расчета пограничного слоя с найденным техническим эквивалентом «песочной шероховатости», позволяющая получить рекомендации для проектирования трубопроводов или сопл со сниженным гидравлическим сопротивлением и малыми потерями тепла, является актуальной.

Цели работы, таким образом, можно сформулировать следующим образом:

• определение законов теплообмена и трения на шероховатой поверхности со случайным распределением высоты неровностей профиля;

• определение характерной высоты случайных неровностей профиля обтекаемой поверхности в качестве эквивалентной величины «песочной шероховатости»;

• создание методики расчета пограничного слоя в каналах переменного сечения и на плоских поверхностях со случайной шероховатостью стенки;

• изучение характеристик течения в пограничном слое на шероховатой поверхности, обтекаемой потоком газа или жидкости с градиентами давления и скорости.

Научная новизна диссертационной работы:

• предложена новая критериальная зависимость законов трения и теплообмена, описывающая турбулентную область течения пограничного слоя с полным проявлением шероховатости;

• определена характерная высота неровностей шероховатости в виде среднего арифметического отклонения профиля Яа для случайной шероховатости;

IV 3**

• получено критическое значение числа Рейнольдса Яе",, = Ри "— м* для турбулентного пограничного слоя, при котором происходит смена режима течения на гидравлически гладкой поверхности к шероховатой и наоборот.

Основные положения данной работы:

• найденные законы трения и теплообмена в турбулентном пограничном слое на поверхности со случайной шероховатостью;

• разработка метода расчета трения и теплообмена при различных состояниях пограничных слоев (ламинарного, переходного, турбулентного на гладкой поверхности и турбулентного на шероховатой поверхности);

• влияние шероховатости на ламинарно-турбулентный (Л-Т) переход пограничного слоя;

• исследование влияния теплообмена в газе и жидкости на переход из ламинарного течения в пограничном слое к турбулентному.

Степень обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации:

• законы трения и теплообмена определены на основании обобщения опытных данных для безотрывного обтекания жидкостью или газом с градиентами давления и скорости в широком диапазоне чисел Рейнольдса, Маха, Прандтля, фактора теплообмена и относительной шероховатости.

• разработанная методика последовательного расчета характеристик пограничного слоя с различными режимами течения (ламинарный, переходный, турбулентный на гладкой и шероховатой поверхности) использует современные способы решения дифференциальной уравнений интегральных соотношений импульса в пограничном слое.

• расчеты пограничного слоя по разработанной методике с найденными законами трения и теплообмена хорошо согласуются с экспериментальными данными для течении на пластине и в трубах.

Основным вкладом диссертанта является:

• определение эквивалента «песочной шероховатости» к3 в виде среднего арифметического отклонения профиля поверхности после механической обработки кх = Яа;

• разработка методов расчета пограничного слоя с разными режимами течения;

• определение законов трения и теплообмена на основании обобщения опытных данных для турбулентного пограничного слоя на поверхности со случайной высотой неровностей, соответствующих механической обработке деталей.

Практическая ценность результатов работы:

• результаты расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления при инжнерно - конструкторской разработке трубопроводов, различных энергетических установок и тепловых двигателей позволяют создавать более совершение и экономичные промышленные изделия, которые широко используются в различных отраслях народного хозяйства.

Содержание работы изложено на 103 страницы машинописного текста с выводами по главам и общими выводами.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Чжоу Вэйсин

Выводы

1. На основании обобщения опубликованных опытных данных получены зависимости числа Яе^, - начала ламинарно-турбулентного перехода:

• от относительной величины неровностей шероховатой поверхности;

• от степени турбулентности внешнего потока;

• от теплообмена на стенке при течении жидкости или газа по критерию неустойчивости профиля скорости по второй теореме Релея.

2. Влияние теплообмена на начало и конец ламинарно-турбулентного перехода определяется зависимостью вязкости среды от температуры, которая с уменьшением температуры у жидкости растет, а у газов - уменьшается. Поэтому для газов охлаждение стенки увеличивает число 11е"„ начала Л-Т перехода, а для жидкости - уменьшает.

3. Предложена новая критериальная зависимость законов трения Су и теплообмена £7Ш для турбулентного течения в пограничном слое с полным проявлением шероховатости в широком диапазоне чисел Яе" =103.105 . при обтекании с теплообменом жидкостью или газом стенки со случайно распределенными бугорками высотой к8 в диапазоне: —£- = 1.10 . д

Су =

•> ш

Вц/хц/гц/ 3)и к8 рТ„т(Ми) (Яе*,)^*

Ву/ху/гщъУ

2т 2-т

2-Рг

0.67

Щам»)

2т 2-т

Коэффициенты трения и теплообмена зависят от числа Ми и турбулентного числа Ргт , степени турбулентности внешнего потока с , температурного фактора теплообмена —1относительной величины бугорков к случайной шероховатости и критического значения числа (ЯеАт )кр.

4. Получено критическое значение числа Рейнольдса Ие^, при котором происходит смена режима течения на гидравлически гладкой поверхности к шероховатой и наоборот,

Кези>

2Т„т{Ми) ^ ^ <Гп2 кт Кр к 1

2-т

5. Создана методика расчета пограничного слоя с различными режимами течения ламинарного, переходного, турбулентного пограничного слоя на гладкой поверхности и турбулентного пограничного слоя с полным проявлением шероховатости. В методику включены данные по граничному значению чисел Ле^ и Ле^ для ламинарно-турбулентнош перехода и числа Яе^ перехода от обтекания гладкой поверхности к шероховатой и включены найденные законы трения и теплообмена на стенке со случайно распределенной шероховатостью.

6. Представлены результаты сравнений предложенной методики расчетов пограничного слоя с опытными данными по толщине потери импульса на выходе сопла с шероховатыми стенками, и сравнения коэффициента трения на шероховатой плоской пластине с данными Л. Прантля и Г. Шлихтинга [38].

Из результатов сравнений следует, что в качестве эквивалента песочной шероховатости поверхности после механически обработки можно принять среднюю арифметическую высоту неровности случайной шероховатости 1 1

К = ~ /И*)!^ = К и значение критического числа Рейнольдса = 5.7.5.

1 о

7. Показано, что в круглых каналах с переменной площадью поперечного сечения возможны как режимы перехода течения в турбулентном слое на гидравлически гладкой поверхности к течению на шероховатой так и режимы с обратным переходом от шероховатого обтекания к гладкому.

98

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чжоу Вэйсин, 2004 год

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука. 1991. 597стр.

2. Асадоллахи Гохих А., Сергиенко A.A. Интегральный метод расчета переходного пограничного слоя в реактивных соплах. Авиационная техника. 1999. -№ 4. 47-50стр.

3. Асадоллахи Гохих А., Сергиенко A.A. Интегральный метод расчета ламинарного и турбулентного пограничного слоя в реактивных соплах. Авиационная техника. 1998. № 4. 90 - 94стр.

4. Бай Ши-и. Турбулентное течение жидкостей и газов. М.: Издательство иностранной литературы. 1962. 343стр.

5. Бондарев E.H., Кокорев A.C. Методы расчета пограничного слоя. М.: МАИ. 1993.-69стр.

6. Булеев Н.И. Пространственная модель турбулентного обмена. М.: Наука. 1989.-324стр.

7. Галицейский Б.М., Рыжов Ю.А., Якуш Е.В. Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках. М.: Машиностроение. 1977. 256стр.

8. Жукаускас A.A., Шланчяускас Б. Теплоотдача в турбулентном потоке жидкости. Вильнюс. «Минтис» 1973. 327стр.

9. Жукаускас A.A. Проблемы интенсификации конвективного теплопереноса. Тепломассообмен-7: Проблемные доклады 7-й Всесоюз. Конф. По тепломассобмену. Минск. 1985. 4.1. 16 42стр.

10. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин A.C. Эффективные поверхности теплообмена. М.: Энергоатомиздат. 1998. 407стр.

11. Колесников A.B. Модели турбулентности для расчета пограничного слоя на гладких и шероховатых поверхностях. Механика неоднородных и турбулентных потоков. Ответственный редактор Струминский В.В. М.: Наука. 1989. 142- 150стр.

12. Козлов Л.Ф., Цыганюк А.Н., Бабенко В.В и др. Формирование турбулентности в сдвиговых течениях. Киев. Наукова думка. 1985. 283стр.

13. Коулман, Моффет, Кейс. Теплообмен в ускоряющемся турбулентном пограничном слое с полным проявлением шероховатости. Тр. Амер. о-ва инж.-механиков. Теплопередача. 1981. Т. 103. №1. 177 185стр.

14. Кузьмина Л.Ф., Мельников Д.А., Никулин Г.З. Потери удельного импульса тяги из-за трения в соплах. PK техника. Научно-технический сборник. НИИТП. 1992. 21 34стр.

15. Кутателадзе С.С., Леонтьев А. И. Тепломассобмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергия. 1972. 344стр.

16. Лапин Ю.В. Турбулентный пограничный слой в сверхзвуковых потоках газа. М.: 1976,-309стр.

17. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука. 2003. -840стр.

18. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. Ленинград. Энергия. 1980. 144стр.

19. Мигай В.К. Моделирование теплообменного и энергетического оборудования. Ленинград. Энергоатомиздат. 1987. 263стр.

20. Михайлова Н.П., Репик Е.У., Соседко Ю.П. Исследование теплообмена и аналогии Рейнольдса в турбулентном пограничном слое при высоком уровне турбулентности набегающего потока. МЖГ№1. 2000. 61 71стр.

21. Моффет, Хилзер, Кейс. Экспериментальное исследование теплоотдачи в турбулентном пограничном слое на шероховатой поверхности при наличии вдува. Тр. Амер. О-ва инж.-механиков. Теплопередача. 1978. Т. 100. №1. 145 155стр.

22. Нарасимха Р., Дей Дж. Интегральный метод расчета несжимаемого двумерного переходного пограничного слоя. Аэрокосмическая техника. №9. 1991. 28-37стр.

23. Олимпиев В.В., Халитова Г.Р. Расчет эффективного теплообменика с оптимальной шероховатостью. Теплообмен и трение в двигателях и энергетических установках летательных аппаратов. Казан, авиац. ин-т. Казань. 1990. 59 64стр.

24. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. Под общей редакцией академика Авдуевского B.C. и Кошкина B.K. М.: Машиностроение. 1992. 518стр.

25. Оуэн Ф.К., Стейнбек П.К., Харвей К. Оценка качества потока в двух аэродинамических трубах. NACAPTHK том 20 № 1 янв. 1082. 59 62стр.

26. Пристенные турбулентные течения. Сборник научных трудов под редакцией Кутателадзе С.С. Новосибирск. 1989.

27. Репик. Е.У. Исследование влияния шероховатости поверхности на интегральные характеристики турбулентного пограничного слоя при наличии продольного градиента давления. Труды ЦАГИ. Вып. 1968.

28. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы. М.: Мир. 1987. 578стр.

29. Сергиенко A.A. Расчет осевой турбины с отрицательной реактивностью. М.:МАИ. 1989. 50стр.

30. Сергиенко A.A. Газодинамический импульс потока в осесимметричых каналах. М.: Машиностроение «проблемы механики и теплообмена в космической технике». 1982. 136- 151стр.

31. Сергиенко A.A., Чжоу Вэйсин. Трение и теплообмен в реактивных соплах и в трубопроводах с шероховатой поверхностью. Самара: «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». 2003. -261стр.33