Моделирование тепломассопереноса в нелинейных задачах о пограничном слое на поверхности с проницаемыми участками

• Автор: Житенев, Алексей Иванович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 112 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

1. Проблема тепловой защиты поверхности при транспирационном

охлаждении в энергетических установках

ЕЕ Состояние вопроса по проблеме тепловой защиты поверхности, обзор

экспериментальных работ

Е2. Обзор математических моделей, описывающих системы тепловой

защиты поверхности

1.3. Решение уравнения энергии и определение касательного напряжения трения на пластине в пограничном слое

2. Задача о тепловой защите массопереносом теплонапряженной поверхности

2.1. Выбор системы охлаждения

2.2. Анализ исходных данных, необходимых для решения задачи
2.3. Анализ подходов к решению задачи тепломассообмена на поверхности на основе численных методов
2.3.1. Применение численного метода конечных разностей для решения задачи тепломассопереноса на поверхности
2.4. Постановка задачи тепломассопереноса на теплонапряженной поверхности энергоустановки
3. Моделирование пограничного слоя со вдувом на теплонапряженной поверхности энергетической установки
3.1. Аналитическое решение уравнения диффузии для определения концентрации вдуваемого компонента в пограничном слое
3.1.1. Е1реобразование уравнения диффузии
3.1.2. Решение уравнение диффузии в заданных граничных условиях
3.2. Аналитическое решение уравнения энергии на пластине в пограничном слое
3.2.1. Преобразование уравнения энергии
3.2.2. Аналитическое решение тепловой задачи в пограничном слое
при пористом охлаждении
4. Практическая реализация результатов диссертационной работы при экспериментальных исследованиях по проблеме тепловой защиты
поверхности
4.1 Сравнение результатов аналитического моделирования с данными экспериментов по исследованию процессов тепломассопереноса на
теплонапряженных поверхностях энергетических установок
4.1.1. Описание экспериментальной установки по изучению теплообмена на пластине
4.1.2. Методика проведения эксперимента по исследованию процессов теплообмена
4.1.3. Сопоставление результатов математического моделирования с экспериментальными данными по массопереносу на пластине
4.2. Сопоставление данных экспериментального исследования пористого
охлаждения поверхности диффузора с результатами математического моделирования процессов тепломассопереноса на поверхности
4.3. Численный расчет задачи о концентрации вдуваемого компонента в
пограничном слое
4.4. Численный расчет задачи теплового состояния теплонапряженной
поверхности
Основные выводы работы
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Современное развитие науки и техники требует совершенствования предыдущих и разработки новых расчетных методов, с помощью которых появляется возможность исследовать процессы тепломассопереноса на поверхностях, подверженных высокотемпературному газовому потоку, с целью повышения эффективности систем охлаждения и снижения времени и стоимости затрат на этапы разработки и проектирования.
Исследование проблем в этой области является насущной необходимостью, поскольку существует дефицит простых и надежных инженерных методов расчета, которые в будущем позволят полностью рассчитывать и проектировать системы теплозащиты теплонапряженных поверхностей в энергетических установках.
В настоящей работе, на базе накопленного материала по ламинарному пограничному слою, решается задача тепломассообмена на проницаемой поверхности при наличии вдува (отсоса) через проницаемые вставки.
В частности, существует проблема защиты стенок энергоустановок от высокотемпературного потока газа, которая сводится к вопросу повышения эффективности, компактности, а также необходимости уменьшения расхода охладителя и массы системы охлаждения. К числу таких систем защиты поверхности от высокотемпературного газового потока относятся транспирационные системы охлаждения, которые могут быть выполнены в виде сплошной стенки с пористыми вставками, посредством которых через тракты охлаждения подается охладитель. Ее преимущество выражается в двойном эффекте: охладитель при прохождении через пористую матрицу отбирает часть теплоты за счет теплообмена с пористым материалом, и затем через пористые вставки попадает на поверхность, где образует защитный слой. Решение данной задачи сопряжено с рядом затруднений. Она описывается

способ неприменим, когда температура поверхности превышает температуру плавления или когда происходит эрозия стенки.
Расширить интервал допустимых тепловых потоков при достаточно интенсивном подводе тепла от горячих газов можно за счет использования теплоты фазового превращения (испарения) охладителя.
Конвективное охлаждение часто используется в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а также в стационарных высокотемпературных промышленных установках (плазмотронах и др.). Здесь применяются системы трубчатого охлаждения, состоящие из разветвленной сети каналов или труб, расположенных под нагреваемой поверхностью и находящихся в тесном контакте с ней. Через трубы непрерывно прокачивается жидкий или газообразный охладитель. Максимальное количество тепла, поглощенное такой системой, зависит от теплопроводности материала стенки, расхода и теплоемкости охладителя. В ЖРД применяется обычно система разомкнутого типа; использованное в качестве охладителя топливо поступает затем в камеру сгорания двигателя и там сгорает 121.
Тепловой поток ql- есть поток, отводимый посредством пористого охлаждения. Проходя через поры (рис. 2.2), охладитель отбирает тепло от стенки, а выйдя на поверхность, снижает интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой, т.е. экранирует тепловой поток. Оба эти фактора
Рис 2.2. Пористое охлаждение. ие - скорость набегающего потока, тепловой поток,
Тохл - температура охладителя,
Те- профиль температуры
ведут к понижению температуры стенки. Охладителем может быть газ или жидкость. Предпочтение обычно отдается газообразным веществам из-за более