Экспериментальное исследование конвекции тепловыделяющей жидкости во вращающемся горизонтальном цилиндре

• Автор: Сабиров, Рустам Рустямович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 142 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Задача исследования

1.2. Экспериментальная установка

1.3. Методика эксперимента

1.3.1. Ход эксперимента

1.3.2. Температурные измерения

1.3.3. Определение порогов возникновения конвекции

1.3.4. Визуализация течений

1.4. Особенности изучения конвекции тепловыделяющей жидкости
1.4.1. Влияние присутствия соли на конвективный параметр
жидкости
1.4.2. Неоднородность тепловыделения
ГЛАВА 2. УСТОЙЧИВОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ
2.1. Порог возникновения конвекции
2.1.1. Эксперименты с водой
2.1.2. Эксперименты с водными растворами глицерина
2.2. Влияние геометрических размеров полости на порог устойчивости
2.2.1. Зависимость порога от диаметра полости
2.2.2. Роль длины полости
2.3. Механизмы возбуждения осредненной тепловой конвекции
2.3.1. Термовибрационный механизм
2.3.2. Пороги устойчивости на плоскости управляющих параметров

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА КОНВЕКТИВНЫХ ТЕЧЕНИЙ И ТЕПЛОПЕРЕНОС
3.1. Режимы конвекции
3.2. Особенности теплопереноса и движения жидкости в допороговой области
3.2.1. Течения, вызываемые инерционными волнами
3.2.2. Роль относительной длины полости
3.3. Осредненная конвекция, вызываемая полем силы тяжести
3.3.1. Стационарный режим
3.3.2. Автоколебательный режим
3.4. Предельный случай медленного вращения
3.5. Теплоперенос на плоскости управляющих параметров
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ НОРМАЛЬНЫХ ОСИ ВРАЩЕНИЯ ВИБРАЦИЙ НА КОНВЕКЦИЮ
4.1. Экспериментальная установка и методика
4.2. Зависимость конвекции и теплопереноса от параметров вибраций
4.2.1. Роль частоты вибраций, резонанс
4.2.2. Теплоперенос в резонансной области
4.3. Анализ результатов
4.3.1. Теоретическое обоснование
4.3.2. Теплоперенос на плоскости безразмерных параметров
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Интерес к исследованию влияния вибраций и вращения на неоднородные по плотности гидродинамические системы [1, 2] обусловлен их широким распространением в природе и важностью понимания процессов, происходящих под действием переменных силовых полей в жидкостях и газах, для многих отраслей техники [3]. В живой и неживой природе совместное либо раздельное действие вибраций и вращения проявляется в широком спектре явлений от клеточных процессов до взаимодействия галактик. К числу наиболее важных технических приложений можно отнести добычу полезных ископаемых, химические производства, металлургию и строительство.
Неоднородность плотности исследуемой гидродинамической системы в естественных и лабораторных условиях может быть обусловлена наличием в жидкости твердой или газовой фазы (гетерогенные системы) либо стратификацией жидкости под действием таких параметров, как температура, давление и пр.
Возможность стабилизирующего и дестабилизирующего влияния вибраций на механические системы наглядно показана в [4]. Воздействие вибраций на изотермические гетерогенные гидродинамические системы описано в большом количестве работ, из которых приведем лишь несколько [5 - 7]. Дестабилизирующее действие вибраций на многофазную систему показано в [8]. С другой стороны, высокочастотные вертикальные вибрации способны стабилизировать неустойчивость Рэлея - Тейлора, возникающую, когда тяжелая жидкость находится над легкой в поле силы тяжести [9]. Круг эффектов, в которых проявляется вибрационное воздействие, чрезвычайно широк, а сами эффекты весьма разнообразны. К этой категории относятся, например, возникновение квазистационарного рельефа на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей сравнимой плотности под действием горизонтальных гармонических колебаний [10] и левитация тел большой по сравнению с жидкостью плотности [11].
Обобщение моделей исследования стратифицированных жидкостей, в том числе и под действием переменных силовых полей представлено в [12]. В работе

новлении различных режимов конвекции. Такие колебания требуют сбора как можно большего объема информации для изучения периода и амплитуды.
1.3.3. Определение порогов возникновения конвекции
Показания датчиков на каждом шаге усредняются по выбранному временному интервалу, а полученная таким образом зависимость относительной температуры в центре полости от скорости вращения (рисунок 1.6) подвергается дальнейшей обработке.
Рисунок 1.6. Определение пороговой скорости вращения на примере одного из экспериментов
Пороговая скорость вращения п' и соответствующие ей температуры Т, Т2 и 0, определяются графически по характерному излому на кривой зависимости температуры от скорости вращения, означающему начало развития осредненной конвекции (граница областей I и II). Смена режимов конвекции (граница областей II и ІІГ) регистрируется таким же образом.
Косвенным признаком перехода к конвективному режиму является рост осредненной температуры Т2, связанный с появлением колебаний температуры, фиксируемых датчиком, расположенным на стенке цилиндра. Визуализация тече-