Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
КАУРОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ
ТЕПЛООТДАЧА В ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ВЫЕМКАХ, ОБТЕКАЕМЫХ ПУЛЬСИРУЮЩИМ ТУРБУЛЕНТНЫМ ПОТОКОМ
Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника;
05.07.05. - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
АВТОРЕФЕРАТ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Казань 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева-КАИ (КГТУ им. А.Н.Туполева) на кафедре Газотурбинных, паротурбинных установок и двигателей.
Научные руководители - доктор технических наук, профессор Щукин Андрей Викторович;
кандидат технических наук Ильинков Андрей Владиславович Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Гильфанов Камиль Хабибович;
доктор технических наук Глебов Геннадий Александрович;
Ведущая организация: - Исследовательский центр проблем энергетики Казанского научного центра РАН.
Защита состоится У 14 Ф марта 2012 г. на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при ФГБОУ ВПО Казанский национальный исследовательский технический университет им.
А.Н.Туполева-КАИ (КГТУ им. А.Н.Туполева) по адресу: 420111, г.Казань, ул. К.Маркса, 10.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ им. А.Н. Туполева.
Автореферат разослан 10 февраля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Создание эффективных систем охлаждения для перспективных ГТД и ГТУ требует проведения исследований и разработки мероприятий по снижению потерь энергии на прокачку теплоносителей.
Использование пристенной интенсификации теплообмена является одним из путей создания экономичных и эффективных систем охлаждения.
Анализ литературных источников показывает, что возможности пристенной интенсификации теплообмена еще не исчерпаны.
Судя по результатам исследований, опубликованным в последние годы, имеется возможность дополнительного улучшения теплогидравлических характеристик пристенных интенсификаторов теплообмена. Речь идет об активизации процессов разрушения образовавшегося пограничного слоя, турбулизации пристенного течения и генерирования крупномасштабных вихревых структур на поверхностях выступов или выемок различной конфигурации.
Эффективность охлаждения турбинных лопаток, дисков и других термонапряженных деталей может быть повышена созданием пульсирующего потока воздуха. Как известно, за счет пульсаций потока средняя теплоотдача в гладком канале, по сравнению со стационарным течением, возрастает.
Пульсации потока воздуха в каналах рабочих лопаток ГТД могут генерироваться, например, за счет кольцевой прерывистой струи охлаждающего воздуха, подаваемой через установленные дискретно лопаточные решетки или цилиндрические сопла. Они размещаются в статорной части турбины на радиусе расположения хвостовиков рабочих лопаток, где предусмотрены входные отверстия в охлаждающие каналы.
Возникающие при этом пульсации потока способствуют более интенсивному отводу теплоты от стенок каналов лопатки к охлаждающему воздуху.
Воздействие пульсирующего потока на развитие пограничного слоя в гладком канале происходит, главным образом, через генерацию пристенных вихревых структур. Кроме этого, большую роль здесь играет и взаимодействие этих пульсаций с турбулентными пульсациями скорости.
Резонансные режимы течений, когда частота наложенных на поток пульсаций совпадает с собственной частотой акустических колебаний в канале, могут снизить ресурс детали или вызвать ее вибрацию и разрушение. Поэтому в практике авиадвигателестроения эти режимы исключают из эксплуатационного диапазона в процессе доводки узла на экспериментальном стенде. В связи с этим приведенные в диссертации результаты исследований не затрагивали резонансных режимов течения воздуха в канале.
Критический анализ состояния вопроса по исследуемой тематике показал, что данных по расчету систем воздушного охлаждения турбин и других горячих узлов двигателей и энергоустановок с интенсификацией теплообмена сферическими выемками в условиях пульсирующего течения воздуха нет. Отметим патент Н.П. Кубанского, в котором предлагается интенсифицировать теплоотдачу системой выемок или выступов различной формы, каждые из которых являются резонаторами, рассчитанными на определенную частоту колебаний. Однако в данном патенте речь не идет о наложенных на поток пульсациях.
По литературным данным теплоотдача на поверхности сферических выемок в пульсирующем потоке не исследована. Однако, из опубликованных результатов исследований в отрывных течениях с наложенными на поток пульсациями следует, что теплоотдача в сферической выемке отрывного типа во многом определяется гидродинамическими процессами, происходящими в ее сдвиговом и рециркуляционном течениях. Поэтому в данном исследовании требовалось определить, как процесс взаимодействия вынужденных колебаний потока в канале и нестационарного отрывного течения в выемке сказывается на конвективном переносе теплоты в ней. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной исследованию теплоотдачи в полусферических выемках, в условиях наложенных на поток пульсаций представляется актуальной.
Цель работы: Сформулировать научно обоснованные рекомендации по расчету интенсификации теплообмена полусферическими выемками в условиях обтекания их пульсирующим турбулентным потоком.
Задачи исследования:
1. На основе созданного экспериментального стенда выполнить исследование средней и местной теплоотдачи в одиночной полусферической выемке при варьировании числами Рейнольдса, Струхаля и одинаковой относительной амплитуде наложенных на поток пульсаций.
2. Обобщить опытные данные и получить расчетную формулу для учета влияния частоты наложенных на поток пульсаций на среднюю теплоотдачу в полусферической выемке.
3. Обосновать правомерность использования существующего механизма интенсификации теплоотдачи пульсирующим потоком в отрывных течениях для физической модели интенсификации теплоотдачи в полусферической выемке наложенными на поток пульсациями.
4. Исследовать влияние установки полусферической выемки в 1-й, 3-й и 5-й ряды матрицы на относительную среднюю теплоотдачу в ней при обтекании ее пульсирующим потоком.
5. Установить влияние вынужденных пульсаций потока воздуха на самоорганизацию крупномасштабных вихревых структур в полусферической выемке.
6. Сформулировать рекомендации по расчету теплоотдачи при использовании полусферических выемок в условиях пульсирующего турбулентного течения. Выполнить сравнительные расчеты эффективности воздушного охлаждения турбинных лопаток в исследованных условиях.
Научная новизна.
1. Впервые установлены закономерности влияния пульсирующего турбулентного потока на среднюю теплоотдачу в полусферических выемках. Показано, что изменение относительных значений (Nuf/Nuf=0)Re в зависимости от числа Струхаля на автомодельных режимах течения подчиняется единой закономерности, полученной для теплообменной модели одиночной выемки или выемки, установленной в 1-м, 3-м или 5-м рядах матрицы.
2. Получена обобщающая формула для расчета интенсификации теплоотдачи в исследованных условиях обтекания выемок. Определен и обоснован диапазон рекомендуемых значений числа Струхаля, в котором в условиях работы охлаждающих каналов турбинных лопаток можно получить максимальную дополнительную интенсификацию теплоотдачи.
3. Термоанемометрическими исследованиями обоснована правомерность использования существующего механизма интенсификации теплоотдачи пульсирующим потоком в отрывных течениях в качестве физической модели интенсификации теплоотдачи пульсирующим потоком в выемках отрывного типа.
4. Установлено, что представленная в относительном виде (Nuf/Nuf=0)Re средняя теплоотдача в выемках первого ряда в исследованном диапазоне параметров консервативна к изменению длины предвключенного участка.
5. Получено, что наложенные на поток пульсации подавляют известный процесс самоорганизации крупномасштабных вихревых структур в выемках отрывного типа, который наблюдается при обтекании их стационарным турбулентным потоком.
Автор защищает:
1. Результаты экспериментального исследования средней и местной теплоотдачи в одиночной полусферической выемке и выемках, установленных в 1-м, 3-м и 5-м рядах матрицы при обтекании их турбулентным пульсирующим потоком.
2. Правомерность распространения существующего механизма влияния пульсирующего потока на процессы теплоотдачи в отрывных турбулентных течениях, на теплоотдачу в полусферических выемках, обтекаемых турбулентным пульсирующим потоком.
3. Расчетную формулу для определения дополнительной интенсификации теплоотдачи в выемках в условиях пульсирующего турбулентного потока, а также результаты термоанемометрических исследований в них. Установленный факт консервативности зависимости относительной теплоотдачи (Nuf/Nuf=0) от числа Струхаля в первом ряду выемок к изменению длины предвключенного участка.
4. Рекомендации по выбору режимных параметров для эффективной интенсификации теплообмена полусферическими выемками в условиях наложенных на поток пульсаций и результаты сравнительных расчетов интенсификации теплообмена в исследованных условиях.
Практическая значимость. Полученные результаты позволяют более глубоко понять особенности взаимодействия вынужденных колебаний турбулентного потока в канале с нестационарным отрывным течением в одиночной выемке и в их системе. Выработанные на основе результатов экспериментального исследования рекомендации по расчету охлаждающих каналов с полусферическими выемками в пульсирующем потоке получены в реальном диапазоне изменения геометрических и режимных параметров систем охлаждения двигателей и энергоустановок.
Эти рекомендации позволяют рассчитать и спроектировать формованные сферическими выемками каналы систем воздушного охлаждения высокотемпературных ГТД и ГТУ, наиболее эффективно использующие наложенные на поток пульсации расхода охладителя.
Полученные данные позволяют верифицировать математические модели, разрабатываемые для расчетов такого рода сложных процессов комбинированной интенсификации теплообмена.
Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы ГК№14.740.11.0320. Кроме этого, результаты диссертационной работы использованы в отчетах по гранту Федеральной целевой программы Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития технологического комплекса России на 2007-20гг. №16.518.11.7015 от 12.05.2011г. Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и аттестованных средств измерения параметров, расчетом погрешности измерений, удовлетворительным согласованием полученных на установке данных с каноническими данными, опубликованными в литературе, а также с опытными данными, полученными для других типов отрывных течений в условиях наложенных на поток пульсаций.
ичный вклад автора. Соискатель участвовал в создании опытной установки, выполнил основную программу экспериментов, обработку опытных данных и выработку рекомендаций для расчета и проектирования охлаждаемых лопаток турбины. Анализ полученных опытных данных выполнен совместно с научными руководителями.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и получили одобрение на XVIII Всероссийской молодежной научной конференции УТуполевские чтенияФ, КГТУ-КАИ, г.Казань, 24-мая 2011г.; на XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции КВВКУ УВнутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экологияФ КВВКУ, г.Казань, 2011 г.; на Международной научно-технической конференции Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики - ИАНТЭ. КГТУ-КАИ, г.Казань, 2011г.; на научном семинаре Исследовательском центре проблем энергетики Казанского научного центра РАН, 2012 г; в Национальной Академии прикладных наук РФ на юбилейной конференции Давыдовские чтения, г.Москва 2012 г.; на научных семинарах кафедры УГазотурбинные, паротурбинные установки и двигателиФ КГТУ-КАИ, г.Казань, 2009 - 2012 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. Одна работа опубликована в рекомендуемом ВАК журнале.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы.
Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков, 2 таблицы. Список использованной литературы включает наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении диссертации обоснована актуальность темы исследования, отмечены ее научная новизна и практическая значимость.
В первой главе выполнен обзор научно-технической литературы по исследованию теплоотдачи в пульсирующих потоках. Проанализированы работы следующих авторов: В.К. Кошкин, Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, Г. Шлихтинг, Б.М. Галицейский, Ю.А. Рыжов, Е.В. Якушев, Ж. Кусто, А. Депозер, Р. Худевиль, М.М. Григорьев, В.В. Кузьмин, А.В. Фафурин, Е.П. Валуева, В.Н. Попов, Н.Н. Ковальногов, T. Mizushina, T. Maruyama, Y. Siozaki, B.R. Ramaprian, А. Skotti и др.
Отрывные турбулентные течения в условиях наложенных на поток пульсаций исследовались: П.Чженом, S.Chin, G.R Ludwig, H.J. Sang, S. Tavoularis, R.K. Singh, F.K. Moore, R.A. Despard, Н.И. Михеевым, В.М. Молочниковым, И.А. Давлетшиным, Г.А. Глебовым и др. Из цитированных источников следует, что подобные задачи численным путем могут быть решены только для ламинарного течения. Показано, что при исследовании пульсирующих турбулентных потоков в отрывных течениях необходимо учитывать специфические особенности рассматриваемого процесса. Например, необходимо учитывать, что дополнительное увеличение конвективного теплопереноса в отрывном течении при наложении на поток пульсаций, связано с интенсификацией массообмена за счет крупных вихрей, генерируемых в сдвиговом слое отрывного течения.
Проанализированы публикации по исследованию интенсификации теплообмена сферическими выемками. Ниже приведены авторы монографий по этому вопросу: Ю.Ф. Гортышов, С.А. Исаев, Г.И.
Кикнадзе, А.П. Козлов, Ю.А. Кузма-Кичта, А.И. Леонтьев, Г.П. Нагога, В.В. Олимпиев, И.А. Попов, В.И. Терехов, А.А. Халатов, Я.П. Чудновский, А.В. Щелчков, А.В. Щукин, Р.М. Ligrani. В диссертации цитируются также авторы многочисленных журнальных статей.
Выполненный в первой главе диссертации критический анализ опубликованных работ показал, что исследований по интенсификации теплообмена сферическими выемками при обтекании их пульсирующим потоком не проводилось. Поэтому для разработки рекомендаций по расчету граничных условий теплообмена в рассматриваемых условиях необходимо провести экспериментальные исследования воздействия на теплоотдачу в выемках наложенных на поток пульсаций.
В конце первой главы сформулированы задачи исследования.
Во второй главе приводится описание экспериментального стенда, объектов исследования, методики проведения экспериментов и обработки опытных данных. Приведены относительные погрешности получаемых результатов.
Схема экспериментальной установки, на которой проводились опыты, представлена на рис. 1. Обводы входного устройства 1 выполнены с постоянным радиусом кривизны. За входным устройством, на стенке предвключенного участка, где расположены объекты исследования, крепилась турбулизирующая проволочка диаметром 1 мм.
Было изготовлено 2 варианта предвключенного участка. Их длины составляли 9Dэ и 1,75Dэ, где Dэ - эквивалентный диаметр канала. Во входном устройстве установлен термометр 2 для измерения температуры воздуха. На верхней стенке опытного участка 3, варианты которого схематично показаны на рис. 2, закреплено координатное устройство 4 с датчиком термоанемометра марки ИРВИС ТА-5.
Как видно из этого рисунка, для исследования средней и местной теплоотдачи были использованы одиночная полусферическая выемка, а также выемка, установленная в 1-м, 3-м и 5-м рядах расположенных в шахматном порядке выемок.
Датчик термоанемометра, установленный в потоке на координатном устройстве, расположен оппозитно теплообменной модели полусферической выемки 5, закрепленной на нижней, выполненной из текстолита, стенке опытного участка.
Теплообменная модель выемки изготовлена из легированной стали Х18Н10Т. Диаметр выемки d=50 мм, глубина h=25 мм; а относительная глубина h/d = 0,5. Схема и общий вид теплообменной модели показаны на рис. 3.
Электронагреватель обеспечивал закон изменения плотности теплового потока по поверхности модели выемки qсonst за счет слоя песка между нагревателем и внешней поверхностью модели выемки. На внутренней, внешней и торцевой поверхностях теплообменной модели были установлены 62 поверхностные хромель-алюмелевые термопары.
3 4 1 2 Рис.1. Схема экспериментальной установки для исследования теплоотдачи в одиночной полусферической выемке Рис.2. Исследованные варианты расположения теплообменной модели выемки в опытном участке в 1-м, 3-м и 5-м рядах матрицы Рис. 3. Схема и общий вид теплообменной модели выемки Они позволяли получать поле температур по контуру меридионального сечения модели выемки с шагом полярного угла 450.
Информация от термопар поступала на аналогово-цифровой преобразователь Е-270 USB, и далее - в персональный компьютер. На основе комплекса программ по численному расчету трехмерного температурного поля и стандартного пакета программ ANSYS вычислялись местные и средние коэффициенты теплоотдачи на внутренней поверхности выемки.
Остальные выемки, составляющие матрицу, изготовлены холодной штамповкой из листовой меди. При исследовании теплоотдачи в выемке, установленной в матрице, плотность их расположения f составляла 0,65.
Поперечное сечение опытного участка - 0,1 м 0,14 м.
Условия формирования пульсационного профиля скорости потока зависят от направления теплового потока и от режима течения. Поэтому в проведенных экспериментах обеспечивалось свойственное системам охлаждения направление теплового потока. Числа Рейнольдса Red также соответствовали реальным условиям обтекания выемок потоком воздуха.
Расход воздуха рассчитывался по измеренному на выходе из опытного участка полю осредненных по времени дискретных значений полного и статического давлений. Эти измерения выполнялись автоматической роботизированной системой пошагового перемещения датчика давлений рi и рi* в плоскости поперечного сечения канала трубкой Пито-Прандтля 6 в 400Цх точках поперечного сечения опытного участка. Значения давлений регистрировались с помощью преобразователей давления ПРОМА ДДМ-40 ДИ. В измерительную цепь была включена капиллярная трубка, обеспечивающая отсутствие массообмена между пульсирующим потоком и регистрирующей аппаратурой. Полученные этим способом данные о расходе воздуха в опытном участке сопоставлялись с результатами расчета расхода воздуха по профилю скорости, измеренному в канале датчиком термоанемометра. Многократно повторенные результаты определения расхода воздуха обоими методами имели разброс 5,2%.
Трехкратное измерение ЭДС термопар производилось также с помощью АЦП Е-270USB фирмы L-Card. Обработка данных выполнялась с помощью программы Power Graph.
Вынужденные пульсации потока генерировались пульсатором 7. Он представлял собой вращающийся пустотелый цилиндр с оппозитно расположенными на его боковых стенках окнами. Они с заданной частотой открывают проходное сечение канала, обеспечивая пульсирующий характер течения воздуха. Пульсатор приводится во вращение электромотором переменного тока с преобразователем частоты вращения CombiVario CV-7300EV, который позволяет в заданном диапазоне задавать частоту вращения ротора пульсатора.
Ниже по потоку в воздушной магистрали установлена регулировочная заслонка 8, а ближе к выходу - работающий в режиме разрежения центробежный компрессор 9.
Общий вид модели выемки для исследования пульсаций самоорганизующихся вихревых структур в ней и схема расположения датчиков термоанемометра на ее поверхности показаны на рис.4.
Эксперименты по исследованию влияния наложенных пульсаций на процесс самоорганизации вихревых структур в выемках выполнялись при осредненных скоростях потока воздуха в канале 3,2 м/с, что соответствовало числу Re = 10000. Показания работающих параллельно четырех термоанемометров ИРВИС ТА-5 позволяли регистрировать сигналы с 4-х датчиков одновременно. На этой основе определялось наличие или отсутствие самоорганизующихся в выемке крупномасштабных вихревых структур.
Программные опыты проводились в следующих условиях:
температура потока воздуха Т* 300К; число Рейнольдса Red = wсрd/ = =9960Е31900; частота наложенных колебаний потока f = 0...40 Гц;
относительная амплитуда колебаний потока = А/wср = 0,170,03; число Струхаля = 0Е0,4. Исследований влияния амплитуды колебаний на теплоотдачу в выемке не проводилось.
В главе 2 приведены также методики проведения экспериментов и обработки опытных данных.
Относительная погрешность определения числа Re находилась в интервале 5,2%, числа Nu - в интервале 15,6%, числа Струхаля - в интервале 5,5% при доверительной вероятности 0,95.
В третьей главе диссертации рассмотрены вопросы обоснования выбора рабочих диапазонов наложенных на поток частот вынужденных колебаний потока, способа представления опытных данных, результаты тестовых экспериментов, результаты программных экспериментов по исследованию средней теплоотдачи в одиночной сферической выемке и в выемке, размещенной в 1-м, 2-м и 3-м рядах матрицы выемок.
Как следует из теории подобия физических явлений, результаты исследований пульсирующих потоков, обтекающих выемку, необходимо обрабатывать с использованием чисел Рейнольдса Re и Струхаля: Sh = f/w. Согласно существующим подходам к обработке опытных данных по теплоотдаче в сферических выемках, примем в качестве характерного линейного размера диаметр сферической выемки d (в плане). В этом случае при построении методов расчета, учитывающих влияние того или иного фактора на интенсификацию теплообмена в сферических выемках, можно использовать большой массив базовых опытных данных, который накоплен к настоящему времени.
Следовательно, для решаемой в диссертации задачи целесообразно записать числа Рейнольдса и Струхаля в таком виде: Red= wd/; Sh = fd/w.
А 3 А Рис.4. Общий вид модели выемки для исследования пульсаций самоорганизующихся вихревых структур (а) и схема установки датчиков термоанемометра на ее поверхности (б): 1, 3 - в областях эпицентров самоорганизующихся вихревых структур, 2 - в точке между эпицентрами; 4 - в полюсной области выемки U, В , с Рис.5. Характер изменения скорости потока под воздействием наложенных на поток пульсаций (Red = 10000; Sh = 0,1; z = 5) а) б) в) Рис.6. Спектры пульсаций скорости потока: а - f = 12Гц; б - f = 25 Гц; в - f = 35 Гц Оценка значений числа Струхаля для рассмотренного выше варианта организации пульсирующего течения в охлаждающих продольных каналах рабочей лопатки турбины показала, что для реальных условий работы турбины высокого давления его значение изменяется в диапазоне Sh = =0,06...0,40. При этом были использованы следующие значения режимных параметров: частота вращения ротора n = 10000...12000 мин-1; диаметр выемок в плане d = 210-3м; количество отдельных цилиндрических сопел, дискретно расположенных по окружности обечайки статора m = 50Е100;
скорость охлаждающего воздуха в каналах с выемками w = 100...300 м/cек.
Для исследования влияния изменения частоты пульсирующего потока на теплоотдачу в выемке было использовано 2 варианта предвключенного участка. Их длины составляли 9Dэ и 1,75Dэ, где Dэ - эквивалентный диаметр канала Dэ = 0,117 м.
Тестовые опыты состояли в следующем. На этапе отладки установки были измерены и проанализированы полученные в экспериментах распределения относительных амплитуд вынужденных колебаний потока в зависимости от частоты наложенных пульсаций. На рис.5 приведен характер изменения скорости потока в канале под воздействием наложенных на поток пульсаций Измерения скорости потока датчиком термоанемометра в опытном участке показали, что закон ее изменения по времени близок к гармоническому: w/wср = 1 + Sin(2f + 0).
Как видно на рис.6, наложенные на поток пульсации в опытах отчетливо проявляются в спектрах пульсаций скорости потока.
Волновая структура потока в опытном участке не исследовалась. Была выполнена расчетная оценка ожидаемых резонансных частот в проточной части канала от входного сечения до пульсатора. Для четвертьволнового и полуволнового резонаторов при длине предвключенного участка 1 м их значения составляли 38,6 Гц и 77,3 Гц, соответственно. Для предвключенного участка 0,2 м, они составляли, соответственно, 60,7 Гц и 121,4 Гц. На режиме максимальной наложенной на поток частоты (f = Гц) и длинном предвключенном участке (L = 1 м), когда ожидались резонансные явления, увеличения амплитуды колебаний потока и дополнительного, по сравнению с другими результатами, увеличения теплоотдачи в выемке обнаружено не было.
Теплообменная модель выемки тестировалась в термостате. Было получено, что разброс значений температур для всех 62-х термопар не превышал 2К. Кроме этого, измеренный в конце предвключенного участка профиль скорости на стационарном турбулентном режиме вполне удовлетворительно совпал с каноническим профилем скорости.
По данным Н.И.Михеева и др. уменьшение амплитуды наложенных пульсаций скорости потока ведет к снижению влияния пульсаций на теплоотдачу в области отрывного течения. Нами были исследованы сравнительно низкие значения относительной амплитуды пульсаций скорости потока в центральной области канала , которые укладываются в узкий диапазон значений = 0,15Е0,20. Этим значениям в наших экспериментах соответствовал весь диапазон исследованных частот колебаний и, соответственно, чисел Струхаля, реализуемых в охлаждающих каналах турбинных лопаток.
Для использования в инженерных расчетах накопленные в литературе более чем за три десятилетия опытные данные по теплоотдаче в каналах со сферическими выемками, влияние наложенных на поток пульсаций целесообразно представлять в относительном виде. Это, с одной стороны, обеспечит доступность полученных данных для расчетных методик, а с другой - снизит систематическую погрешность получаемых опытных данных. Поэтому результаты исследования влияния пульсирующего потока на теплоотдачу в выемках были представлены с использованием метода относительного соответствия.
Реализованные в наших опытах условия обтекания одиночной выемки с острой кромкой в стационарных условиях соответствуют по классификации А.А. Халатова режиму течения с развитой пульсирующей вихревой структурой.
Проанализируем результаты программных экспериментов. Как следует из сравнительных экспериментов, для одиночной выемки и выемки, установленной в первом ряду матрицы, результаты исследования местной и средней теплоотдачи идентичны, что объясняется одинаковыми гидродинамическими условиями натекания потока на выемку.
По данным А.А. Халатова и др. влияние входных условий распространяется только на первый ряд матрицы выемок. Этот факт подтвердился и в условиях наложенных на поток пульсаций. Наши эксперименты показали, что для 1-го ряда матрицы выемок автомодельные режимы по числу Рейнольдса Red наступают при Red > 27000, а для любого другого ряда - при Red > 10000. В соответствии с данными Burgess N.K., Ligrani P.M. причина неодинакового значения числа Red, характеризующего наступление режима автомодельности в том, что, в отличие от выемки 1-го ряда, любая выемка, расположенная в глубине матрицы, обтекается потоком, в котором содержится большее количество крупных вихрей. Такая тенденция известна в литературе и связана как с взаимодействием сдвиговых слоев и массива крупных вихрей близлежащих выемок, так и с взаимным обменом этими вихрями.
Это способствует не только более раннему наступлению автомодельного режима по числу Re в процессах теплоотдачи, происходящих в глубинном ряду выемки, но и более высокому уровню средней теплоотдачи в них по сравнению с первым рядом.
Указанные особенности сохраняются во всем исследованном диапазоне изменения значений числа Струхаля.
На рис. 7 продемонстрированы результаты исследования относительной средней теплоотдачи на автомодельных режимах обтекания выемок для различных рядов расположения теплообменной модели выемки при Lпр/Dэ = 1,75. На представленных здесь и на других рисунках, помещенных в диссертации, просматривается одинаковая тенденция: на участке Sh = 0Е0,2 происходит увеличение относительной средней теплоотдачи, а при дальнейшем увеличении Sh значение (Nu/Nuf=0)Re снижается с последующей стабилизацией около значения 1,35. Важно отметить, что представленные в относительном виде (Nu/Nuf=0)Re данные по теплоотдаче в зависимости от номера ряда количественно не расслаиваются.
Рис. 7 Влияние числа Струхаля на интенсификацию средней теплоотдачи в выемке пульсирующим потоком: L/D = 1,75;
условные обозначения см. в таблице Более наглядно влияние числа Струхаля на среднюю теплоотдачу в выемке видно на рис.8, на котором сведены вместе все полученные в диссертации результаты, соответствующие автомодельному режиму по числу Red.
Как видно, независимо от номера ряда, где установлена теплообменная модель выемки, и относительной длины предвключенного участка, влияние числа Струхаля на среднюю теплоотдачу подчиняется единой закономерности. Так, по мере роста числа Струхаля от 0 до 0,2 значение (Nuf/Nuf=0)Re возрастает от единицы до 1,4, а далее, при Sh>0,2, происходит его плавное уменьшение со стабилизацией на уровне 1,35.
Для исследованных условий при 0 f = (Nuf /Nuf=0)Re = 1 + 0,97Sh0,63. (1) При 0,2< Sh0,4 значение (Nuf/Nuf=0)Re = 1,35. Множитель-поправка f в исследованном диапазоне геометрических и режимных параметров может быть использован при расчетах теплоотдачи в охлаждающих каналах со сферическими выемками для учета влияния на теплоотдачу наложенных пульсаций скорости: Nuсф.f = Nuсф.0 f (2) Здесь базовое значение числа Нуссельта Nuсф.0 может быть заимствовано из литературы. Формулы (1) и (2) могут быть рекомендованы для использования во всех рядах матрицы, включая и 1-й ряд. При этом в целях соблюдения условий автомодельности процессов теплоотдачи по числу Рейнольдса, для 1-го ряда выемок следует обеспечить Red > 27000, а для любого другого ряда - Red > 10000. В четвертой главе диссертации рассмотрены результаты опытного исследования местной теплоотдачи в полусферических выемках. Изложены результаты сравнительных исследований степени турбулентности во внешнем потоке и в выемке при воздействии наложенных на поток пульсаций. Приведены опытные данные по подавлению ими процесса самоорганизации крупномасштабных вихревых структур. С помощью предложенной Н.И.Михеевым с соавторами физической модели влияния на теплоотдачу в области отрывного течения за диафрагмой наложенных на поток пульсаций и полученных в данной работе результатов обоснован механизм влияния пульсирующего потока на среднюю теплоотдачу в полусферических выемках. Даны рекомендации по расчету средней теплоотдачи в выемках при наложенных на поток пульсациях. Приводится демонстрационный сравнительный расчет эффективности охлаждения рабочей лопатки с гладкими охлаждающими аналами, а также с полусферическими выемками, и вынужденными пульсациями потока в охлаждающих каналах с выемками. Рис.8. Обобщенный график влияния частоты колебаний наложенных на поток пульсаций на относительную среднюю теплоотдачу в выемках: условные обозначения см. в таблице f, Гц а б Рис.9. Влияние частоты пульсаций потока на местную теплоотдачу в выемке: y/d = 0,315; а - Red = 10000; б - Red = 32000; z = 5; L/D = 1,75; 2 Рис.11. Результаты сравнительных расчетов эффективности охлаждения л рабочей лопатки турбины высокого Рис.10. Распределение степени давления: 1 - гладкие каналы; 2 - каналы турбулентности потока по высоте канала и с полусферическими выемками; 3 - каналы глубине полусферической выемки: Re = с выемками и наложенными на поток 10000; z = 3(по продольным пульсациям охлаждающего воздуха пульсациями скорости) Как было указано в третьей главе, характер влияния наложенных на поток пульсаций на относительную среднюю теплоотдачу в одиночной полусферической выемке качественно соответствует данным по влиянию их на относительную теплоотдачу в отрывной области за диафрагмой, полученным Н.И.Михеевым с соавторами. По результатам этих исследований интенсивность конвективного переноса теплоты при отрыве потока во многом определяет процесс взаимодействия крупных вихрей из сдвигового слоя с обтекаемой поверхностью. Рассмотрим это положение применительно к процессам, происходящим в полусферической выемке. Как следует из рис.9, распределения местных коэффициентов теплоотдачи по поверхности полусферической выемки при воздействии наложенных пульсаций скорости и в стационарном потоке практически эквидистантны. Такой же результат был получен и в других рядах матрицы выемок. Отсюда можно заключить, что причина возрастания теплоотдачи при увеличении числа Струхаля носит не локальный, а глобальный для всей поверхности полусферической выемки характер. Для интерпретации полученных данных о средней теплоотдаче в полусферической выемке, обтекаемой пульсирующим потоком были выполнены термоанемометрические измерения скорости потока и его степени турбулентности над выемкой и в ее полости. Они показали, что пульсирующий характер течения сохраняется по всей глубине полости выемки. По-видимому, под воздействием наложенных на поток пульсаций скорости происходит интенсификация конвективного теплопереноса проникающими в выемку из сдвигового слоя крупными вихрями, что способствует интенсификации массообмена между сдвиговым слоем выемки и ее пристенным течением посредством крупных вихрей. Это подтверждается экспериментально установленным нами фактом повышения степени турбулентности потока в выемке по сравнению со стационарным ее обтеканием (рис. 10). Так, если в центральной области канала над выемкой в стационарном потоке Tu 6%, а в пульсирующем - 11%, то в выемке в стационарном потоке при y/h = 0,2 значение Tu 25%, а при наложенных на поток пульсациях - 44%. Мы полагаем, что эти опытные данные косвенно свидетельствуют об активизации массообмена между крупными вихрями и поверхностью выемки под воздействием наложенных на поток пульсаций скорости. Последнее может являться причиной приведенных на рис.8 тенденций роста (Nuf/Nuf=0)Re при увеличении числа Струхаля Sh от 0 до 0,2. На этой основе предложенный Н.И. Михеевым с соавторами механизм интенсификации теплообмена пульсирующим потоком в отрывных течениях принят в качестве физической модели интенсификации теплоотдачи пульсирующим потоком в полусферических выемках. Поскольку гидродинамика обтекания выемок с относительной глубиной h/d >0,2 одинакова, то, возможно, что область использования принятой нами физической модели правомерно распространить и на другие сферические выемки отрывного типа, у которых h/d = 0,2Е0,5. Кроме этого, выполненные в пристенной области полусферической выемки сравнительные термоанемометрические исследования независимо от номера ряда матрицы выемок и частоты наложенных на поток пульсаций позволили выявить факт подавления наложенными на поток пульсациями самоорганизующихся вихревых структур, образующихся в сферических выемках отрывного типа. Таким образом, в рамках исследованного диапазона режимных параметров дополнительный 40-процентный прирост теплоотдачи в каналах со сферическими выемками при обтекании их пульсирующим турбулентным потоком может быть получен при числах Струхаля Sh = 0,и относительной амплитуде колебаний потока = 0,14Е0,20. Поскольку в стационарном турбулентном потоке охлаждающего воздуха при технологически доступной плотности расположения массива полусферических выемок интенсификация теплоотдачи составляет примерно 2,0-2,5 по сравнению с теплоотдачей около гладкой поверхности, то суммарный эффект увеличения теплоотдачи в выемках, обтекаемых пульсирующим потоком, может достичь значений 2,8...3,5 по сравнению со стационарным турбулентным потоком в гладком канале. Изложенные в диссертационной работе рекомендации по расчету теплоотдачи в исследованных условиях базируются на уравнении подобия для гладкого канала на турбулентном режиме течения. Влияние сферических выемок на теплоотдачу учитывается по литературным данным. А воздействие наложенных на поток пульсаций определяется с помощью полученных в данной работе формул. Сравнительный расчет охлаждаемой рабочей лопатки турбины высокого давления выполнялся для следующих условий: температура потока газа в относительном движении на входе в рабочую лопатку Тг*w = 1300К; число Рейнольдса, определенное по хорде рабочей лопатки Re2 = w2bлг/г = 250000; хорда лопатки в среднем сечении b = 50 мм; в профильной части лопатки размещены три охлаждающих воздухом продольных канала с полусферическими выемками диаметром 2 мм; плотность их расположения f = 0,65; форма охлаждающих каналов повторяет внешние обводы профиля, так что толщина исходно гладкой стенки лопатки ст постоянная, и, за исключением участков с перемычками, составляет 2 мм; количество отдельных цилиндрических сопел, дискретно расположенных по окружности для генерации вынужденных пульсаций потока в каналах m = 100; число Струхаля Sh = 0,2. Результаты расчета показали (рис. 11), что для относительного расхода охлаждающего воздуха, подаваемого на один венец рабочих лопаток (Gохл/Gв.КВД), составляющего 2%, и прочих одинаковых условиях средняя по профилю эффективность охлаждения рабочей лопатки л = =(T*г-Tл)/(T*г-T*охл) в случае гладких каналов составляет 0,22; с выемками в стационарном потоке - 0,35, а при обтекании выемок пульсирующим потоком - 0,42. Полученные результаты позволяют в первом приближении учесть особенности взаимодействия вынужденных колебаний турбулентного потока в канале с нестационарным отрывным течением в сферических выемках отрывного типа и сформулировать рекомендации к учету этого фактора при расчете теплоотдачи в условиях совместного воздействия на поток сферических выемок и наложенных на него пульсаций скорости. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Получено, что наложенные на турбулентный поток пульсации интенсифицируют теплоотдачу в полусферических выемках. При оптимальном значении числа Струхаля, равном 0,2 эта интенсификация достигает 1,4. 2. Установлены границы автомодельности процессов теплоотдачи по числу Рейнольдса для первого и последующих рядов выемок. Для автомодельных режимов по числу Рейнольдса получена критериальная формула, позволяющая рассчитать интенсификацию теплоотдачи в выемках, обтекаемых пульсирующим турбулентным потоком. 3. Показано, что наложенные на поток пульсации сохраняются и в полусферических выемках, увеличивая степень турбулентности потока в них по мере возрастания частоты наложенных пульсаций. 4. Эквидистантный характер распределения местных коэффициентов теплоотдачи по поверхности выемки при различных частотах наложенных пульсаций свидетельствует о глобальном характере их воздействия на теплоотдачу в выемке. 5. Полученные данные позволили существующий механизм интенсификации теплообмена пульсирующим потоком в отрывных течениях принять в качестве физической модели интенсификации теплоотдачи наложенными пульсациями в полусферических выемках. 6. Показано, что наложенные на поток пульсации подавляют известный в выемках отрывного типа процесс самоорганизации крупномасштабных вихревых структур. 7. Выявлено, что представленные в относительном виде (Nuf/Nuf=0)Re результаты исследования теплоотдачи в обтекаемых пульсирующим потоком выемках, установленных в 1-м, 3-м или 5-м рядах матрицы, в исследуемом диапазоне параметров не зависят от длины предвключенного участка. 8. Результаты расчетов для натурных условий работы турбинной лопатки показали, что при относительном расходе охлаждающего воздуха 2% средняя по профилю эффективность охлаждения л рабочей лопатки с полусферическими выемками в ее охлаждающих каналах и пульсирующим потоком воздуха составляет 0,42, тогда как без пульсаций воздуха - 0,35. ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Н - высота канала; h - глубина полусферической выемки; y - расстояние по нормали от донной точки выемки; d - диаметр полусферической выемки в плане; Dэ - эквивалентный диаметр канала; Red, Nu, Sh - числа Рейнольдса, Нуссельта и Струхаля, определенные по диаметру выемки; f - частота наложенных на поток пульсаций или плотность расположения выемок; f - корректирущая множительпоправка, учитывающая влияние наложенных пульсаций потока на теплоотдачу в полусферических выемках; Тг*w - температура торможения газового потока в турбине в относительном движении; рi, рi* - статическое и полное давления в i-й точке потока; Re2 = w2bл2/2 - число Рейнольдса на выходе из рабочей решетки турбины; bл - хорда рабочей лопатки в среднем сечении; ст - толщина стенки лопатки; m - количество расположенных по окружности сопел на обечайке статора турбины для генерации вынужденных пульсаций потока в охлаждающих каналах рабочей лопатки; z - номер ряда выемок в матрице; л - эффективность охлаждения лопатки. Основное содержание диссертации опубликовано в работах: 1. Кауров А.В. Особенности интенсификации теплообмена полусферическими выемками при обтекании их пульсирующим потоком / Ильинков А.В., Щукин А.В., Кауров А.В.// УИВУЗ Авиационная техникаФ, №4, 2011 г., с.44 - 49 (по списку ВАК). 2. Кауров А.В. Распределение местных коэффициентов теплоотдачи по поверхности полусферической выемки в пульсирующем потоке. / Ильинков А.В., Кауров А.В., Титов С.С. // Сборник материалов XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции УЭлектромеханические и внутренние процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделийФ. Часть 2. Михайловский военный артиллерийский университет (филиал г.Казань). Казань, 2011 г., с.101Ц102. 3. Кауров А.В. Влияние частоты пульсаций внешнего потока на среднюю теплоотдачу в полусферической выемке / Ильинков А.В., Щукин А.В., Кауров А.В.// Сборник материалов XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции УЭлектромеханические и внутренние процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделийФ. Часть 2. Михайловский военный артиллерийский университет (филиал г.Казань). Казань, 2011 г., с.102Ц103. 4. Кауров А.В. Теплоотдача на участке последействия за полусферической выемкой, обтекаемой пульсирующим потоком / Ильинков А.В., Щукин А.В., Кауров А.В.// Сборник материалов XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции УЭлектромеханические и внутренние процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделийФ. Часть 2. Михайловский военный артиллерийский университет (филиал г.Казань). Казань, 2011 г., с.103Ц104. 5. Кауров А.В. Особенности обтекания сферических выемок пульсирующим протоком / Кауров А.В., Титов С.С. // Тезисы докладов XVIII-й Международной молодежной научной конференции Туполевские чтения, г.Казань, 2011 г., с.3 6. Кауров А.В. О влиянии пульсирующего потока на теплоотдачу в полусферической выемке / Кауров А.В., Ганиев Р.Р. // Тезисы докладов XVIII-й Международной молодежной научной конференции Туполевские чтения, г.Казань, 2011 г., с.3 7. Кауров А.В. Средняя теплоотдача в полусферической выемке при обтекании ее пульсирующим потоком / Ильинков А.В., Щукин А.В., КауровА.В.// Тезисы международной научно-технической конференции Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики - ИАНТЭ. КГТУ-КАИ, г.Казань, 2011г., с.54-55. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,25. Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 120. Заказ Типография Казанского национального исследовательского технического университета 420111, Казань, К.Маркса,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике