Исследование посредством численного моделирования тепло и массообмена в пристенных газовых завесах

• Автор: Волков, Владимир Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Ярославль
• Количество страниц: 166 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Численные методы в задачах тепло-массообмена

1.1. Некоторые проблемы численного моделирования явлений в элементах технических устройств..

1.2. Классификация и сравнительный анализ методов получения разностных аналогов

1.3 Сравнительный анализ методов, употребляемых при моделировании газодинамических и тепло-массообменных процессов.
1.4 Методы, используемые для преодоления особенностей при моделировании процессов газодинамики и тепло-массообмена

2. Алгоритм решения полных уравнений Навье - Стокса в трехмерной постановке

2.1. Система полных уравнений Навье - Стокса в консервативной форме.

Осредненные уравнения
2.2. Замыкающие модели турбулентности
2.3. Система расщепленных уравнений и их алгебраический аналог.
2.4. Тестирование
3. Численное моделирование газовой завесы М
3.1. Существующие методы расчета эффективности газовых завес
3.2. Методы расчета затопленных струй, вдуваемых в поперечный поток
3.3. Постановка граничных условий при моделировании газовой завесы &■
3.4. Поля физических величин
3.5. Распределение эффективности газовой завесы на стенке.
3.6. Расчет теплоотдачи в газовой завесе 405”
3.7. Выводы.
4. Сравнительный анализ влияния условий на границах расчетной области на 11 { результаты моделирования газовой завесы
4.1. Влияние пограничного слоя на стенке на формирование завесного
охлаждения при струйном вдуве охладителя
4.2. Влияние входных параметров турбулентности на эффективность газовой завесы.._ . НЗ
4.3. Влияние способа задания струи на формирование пристенного течения и эффективность завесного охлаждения 1.
4.4. Истечения затопленной струи сквозь отверстие конечной глубины из
полости под стенкой в омывающий стенку основной поток. ЧЪ
4.5. Выводы
Результаты и выводы Ш
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Газовая завеса широко используется при защите обтекаемых поверхностей от воздействия высокотемпературных и химически агрессивных газовых потоков. В литературе встречаются различные названия указанного метода защиты: заградительное, струйное, пленочное охлаждение, тепловая или газовая завеса /33/. Первые четыре отражают суть явления при тепловой защите поверхности. Термин «газовая завеса» имеет более общий смысл, так как может применяться и в случае защиты поверхности от химически агрессивных потоков. Газовые завесы широко применяются в технике, например для охлаждения камер сгорания и сопел двигателей, для защиты внутренних поверхностей дымовых труб и сводов металлургических печей.
Эффективность газовых завес принято характеризовать безразмерной температурой адиабатной стенки /33, 57, 82, 83/:
Поэтому основной задачей расчета является определение закона изменения температуры адиабатной поверхности.
Аналитически и эмпирически достаточно хорошо исследованы газовые завесы, образуемые при тангенциальном щелевом вдуве охладителя через защищаемую поверхность в турбулентный пограничный слой /57/. Практическое применение газовых завес характеризуется, как правило, широким спектром воздействий на пограничный слой различных возмущающих факторов: неизотермичность и сжимаемость газового потока, градиент давления, проницаемость стенки, наличие химических реакций и так далее. Использование полуэмпирических теорий турбулентности к теории пограничного слоя позволило прояснить многие вопросы турбулентного тепломассообмена, развить и обобщить полученные результаты для более сложных течений реального газа. Разработанная С.С. Кутателадзе и А.И.

Леонтьевым асимптотическая теория турбулентного пограничного слоя /57/ позволила решать многие задачи без использования эмпирических констант.
Многообразие задач, различающихся условиями и геометрической конфигурацией, решаемых с применением газовых завес, основываются как правило на использовании одного из способов тепловой защиты: начальная часть поверхности интенсивно охлаждается, а адиабатическая стенка вниз по потоку защищается образовавшимся холодным пограничным слоем; передняя часть защищаемой поверхности выполняется пористой и через нее подается охлаждающий газ; вдуваемый газ поступает в пограничный слой через одну или несколько последовательно расположенных тангенциальных щелей или перфорированную поверхность.
Задача о газовой завесе, особенно при дискретном вдуве охладителя, может быть отнесена к случаю затопленных струй, вдуваемых через перфорацию (отверстия) в твердой стенке в поперечный поток. Дискретность вдува охладителя в пристенную часть основного горячего потока, характерная для перфорированных лопаток высокотемпературных газовых турбин /9-11/, многократно усложняет задачу о газовой завесе. Дело в том, что, в отличие от условий вдува через тангенциальную или не тангенциальную щель, при вдуве через наклонные отверстия (перфорации) вдуваемый охладитель в общем случае не создает сплошной завесной пленки. Можно лишь говорить о некотором первичном слое смешения охладителя с основным потоком, по параметрам которого и определяется начальное состояние завесы. Такой подход позволил рассмотреть и довести до практического решения и использования множество на первый взгляд недоступных для аналитических и полуэмпирических методов задач о газовой завесе, образующейся за многорядной перфорацией при вдуве как прямых, так и косых струй, поскольку все они в конечном итоге сводились к задаче о первичном слое смешения. Дальнейший ход решения как правило базировался на использовании интерполяции значений эффективности завесного охлаждения на начальном

методов расчета течений сжимаемого газа, в ней оказываются выделенными в явном виде все члены, стремящиеся к нулю при стремлении к нулю характерного числа Маха потока М0. Поэтому, положив в (18) Мо=0 получим систему уравнений, которая с точностью до тождественных преобразований совпадает с предельной формой уравнений Навье— Стокса для гипозвуковых неизотермических течений вязкого газа. При М„=0 и Г=соиз/ система (18) совпадает с системой уравнений Стокса динамики вязкой несжимаемой жидкости /67/.
Из вида матрицы А в (18) непосредственно следует, что при М0—Ю уравнения Навье — Стокса имеют особенность, связанную с обращением в нуль членов, содержащих производные фУ<)1: система уравнений становится не эволюционной относительно р ’ а матрица А — сингулярной. Последнее обстоятельство и является причиной возникновения вычислительных трудностей при численном интегрировании (18) в случае М0<< 1.
Для преодоления этих трудностей при отыскании стационарного решения (18) в /96/ используется следующий прием, который может рассматриваться как обобщение метода расчета стационарных течений вязкой несжимаемой жидкости с помощью введения искусственной сжимаемости /78,116/ на случай расчета дозвуковых сжимаемых течений: нестационарный член (у0Л7/ /к)др 181 в уравнении неразрывности в системе (18) заменяется членом (ау0/к)др' I д1 где коэффициент а определяется соотношением:
а=Мо2 при М0Й1; а=0( 1) при М0< 1.
Кроме того, в (18) опускается нестационарный член (-(у0-1)М0'г/р)ф//<Я в уравнении переноса энергии, что позволяет упростить реализацию предлагаемого ниже численного алгоритма. При этом полностью устраняются вычислительные трудности, связанные с плохой