Влияние повышенной внешней турбулентности на аэродинамику и теплообмен отрывных течений

• Автор: Жданов, Рустэм Фидайевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 181 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОТРЫВНЫЕ ТЕЧЕНИЯ ЗА ЕДИНИЧНЫМИ
ПРЕГРАДАМИ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
1.1. Процессы тепломассопереноса и динамики в отрывном течении за обратным уступом
1.2. Влияние внешних условий на эволюцию отрывного течения
1.3. Особенности газодинамики и тепловых характеристик при отрыве за ребром
1.4. Отрывные течения в условиях повышенной внешней турбулентности
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Описание аэродинамического стенда и экспериментальных моделей
2.2. Описание основной измерительной аппаратуры и методов обработки результатов
2.3. Тестовые условия течения в рабочей камере и на пластине..
2.4. Оценка погрешности измерения основных величин
ГЛАВА 3. ОТРЫВ ПОТОКА ЗА УСТУПОМ ПРИ ЕСТЕСТВЕНОЙ
И ПОВЫШЕННОЙ ВНЕШНЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ
3.1. Динамика отрывного потока за уступами разной высоты
3.2. Теплообмен в отрывной области
ГЛАВА 4. ОТРЫВНОЕ ТЕЧЕНИЕ ЗА УСТУПОМ С НАКЛОННОЙ
СТЕНКОЙ В УСЛОВИЯХ НИЗКО- И ВЫСОКОТУРБУЛЕНТНОГО ОСНОВНОГО ПОТОКА
4.1. Газодинамика отрывного течения
4.2. Влияние внешней турбулентности на теплоотдачу при изменении угла наклона уступа
ГЛАВА 5. ОТРЫВНОЕ ТЕЧЕНИЕ ЗА РЕБРОМ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УРОВНЯ ВНЕШНЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ
5.1. Саже-масляная визуализация поля течения
5.2. Термографическая визуализация поверхности за ребром
5.3. Распределение давления в отрывной области
5.4. Измерения профилей скорости и интенсивности турбулентности.
5.5. Исследования теплообмена за ребром разной высоты
5.6. Сравнение результатов за ребром и уступом
ВЫВОДЫ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Отрывные течения являются объектом пристального изучения вследствие их распространенности в природе и технике. Исследования структурных особенностей и характеристик обмена в областях рециркуляции, присоединения и последующего развития течения являются весьма важными для авиакосмической техники, турбомашиностроения, электронной техники и для многих других технических приложений.
Отрывные течения относятся к числу недостаточно изученных. Их исследования осложнены искривлением линий тока, реверсированием потока, присутствием вибрации, значительного градиента давления, наличием высокого уровня турбулентных пульсаций и пульсаций давления. На сложный механизм переносных процессов в отрывном течении также указывает сохраняемость некоторых характеристик свободного сдвигового слоя далеко вниз по потоку от области присоединения из-за инертности крупномасштабных вихрей.
Почти не изученным направлением исследований отрывных течений является вопрос влияния повышенного уровня турбулентности внешнего потока на характеристики таких течений. Информация о воздействии внешней турбулентности на аэродинамику и теплообмен в отрывных течениях весьма ограничена, а разброс в оценках, например интенсификации теплоотдачи, в большой степени связан с различиями используемых разными авторами форм и геометрий препятствий.
К настоящему времени накоплен достаточно обширный теоретический и экспериментальный материал по изучению отрывных течений классического вида (внезапное расширение канала - уступ). В некоторых исследованиях зафиксированы эффекты внешней турбулентности на сдвиговые течения, в том числе за уступом. Изучению отрывного течения за единичной поперечной преградой-ребром посвящено сравнительно мало работ. Особенно это касается исследований по влиянию повышенной турбулентности основного потока на ди-
иамику и в особенности теплопереносные процессы отрывного течения, сгенерированного ребром. И на данный момент этот вопрос остается открытым для исследования и дискуссии.
Цель настоящей работы
1. Экспериментально исследовать аэродинамику и теплоотдачу в отрывных течениях за единичным поперечным ребром переменной высоты и обратным уступом с разными углами наклона задней стенки при изменении уровня внешней турбулентности.
2. Определить влияние повышенной турбулизации основного потока на тепловые и динамические характеристики отрывного течения.
3. Обобщить результаты опытных исследований и получить корреляционные соотношения для расчета теплообмена отрывных течений.
Актуальность работы
В настоящее время задача тепло- и энергосбережения является злободневной и очень важной. Один из ее аспектов - проблема пассивной интенсификации теплообмена поверхности отрывом потока связана с пониманием структуры данного течения, выбором геометрии обтекаемого препятствия и параметрами внешнего потока. Например, во многих инженерных приложениях используется интенсификация теплоотдачи с помощью оребрения поверхности. При этом важным и вместе с тем малоизученным остается вопрос о взаимодействии отрывного течения с сильно турбулизированным основным потоком. Последнее обстоятельство является актуальным для камер сгорания, газовых турбин, теплоэнергетического оборудования и т.д.
Научная новизна работы
Проведены экспериментальные исследования теплообмена и динамики в отрывном течении за поперечным ребром и уступом различной высоты в уело-
Независимо от способа организации отрыва (тупая пластина, уступ, ребро), наблюдается общая тенденция сокращения отрывной зоны при увеличении уровня внешней турбулентности. Одной из основных причин данного уменьшения следует считать утолщение слоя смешения. При этом профиль скорости пограничного слоя набегающего потока более заполненный.
С увеличением уровня внешней турбулентности происходит сдвиг зоны присоединения к преграде. При повышении степени турбулентности основного потока до Ти0=4 % [64], наблюдается сдвиг осредненной точки присоединения хк за поперечной пластиной-ребром более 4 калибров. Дальнейшее увеличение турбулентности до Ти0=8.7 % обеспечивает слабое смещение хк к ребру (менее чем на 1.5 калибра). При этом линия присоединения на поверхности модели имеет меньшую кривизну [66]. Авторы [18] утверждают, что положение хк сильно зависит от максимальной интенсивности турбулентности вблизи стенки в точке отрыва.
Многие исследования зафиксировали рост теплоотдачи с увеличением степени внешней турбулентности. Например, в работе [15] наблюдается рост коэффициента теплоотдачи на ~30 %. Однако имеются иные результаты. Так авторы [3] показали, что интенсивность теплоотдачи в точке присоединения практически не зависит от уровня внешней турбулентности. Так же отмечается, что частота реверсирования потока в области присоединения практически не зависит от уровня внешней турбулентности. Увеличение внешней турбулентности приводит к сдвигу максимума теплоотдачи вверх по потоку. Авторы [15] зафиксировали сокращение более чем в 3 раза зоны, расположенной между областями присоединения потока и максимумом теплоотдачи, при росте внешней турбулентности до 12 %.
С повышением степени турбулентности основного потока рециркуляционная зона существенно сокращается. Несмотря на имеющиеся работы [49], где утверждается, что длина рециркуляционной зоны за уступом фактически не зависит от изменения интенсивности турбулентности, большинство авторов убе-