Экспериментальное исследование турбулентной структуры изотермических и реагирующих струйных течений при вариации граничных условий

• Автор: Дулин, Владимир Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Введение
Цели работы

Научная новизна работы и практическая ценность

Список обозначений

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Контактные методы исследования турбулентных течений

1.2. Бесконтактные методы исследования турбулентных течений

1.3. Незакрученная осесимметричная струя

1.4. Закрученная осесимметричная струя

1.5. Струйные течения при наличии горения

Глава 2. Методика измерений и экспериментальные стенды

2.1. Методика измерений
2.2. Экспериментальные стенды
2.3. Выводы по главе
Глава 3. Незакрученная осесимметричная струя
3.1. Свободная струя
3.2. Импактная струя
3.3. Эффект внешнего периодического возбуждения
3.4. Выводы по главе
Глава 4. Закрученная осесимметричная струя
4.1. Свободная струя
4.2. Импактная струя
4.3. Эффект внешнего периодического возбуждения
4.4. Выводы по главе
Глава 5 Струйные течения при наличии горения
5.1. Незакрученное пламя
5.2. Закрученное пламя
5.3. Выводы по главе
Заключение
Список литературы
Список публикаций
Благодарности

Введение
Турбулентные струйные течения широко распространены в различных технических приложениях: системы охлаждения, химические реакторы, камеры сгорания, ракетные и газотурбинные двигатели и т.п. Многообразие приложений порождает большой интерес к изучению струйных течений в различных конфигурациях: свободные струи,
взаимодействующие струи, импактные струйные течения, течения с различными конструкциями сопел и т.п. Кроме того, в настоящее время хорошо известно, что для интенсификации тепломассопереноса в струйных течениях эффективными являются различные методы активного и пассивного воздействия на турбулентную структуру потока: внесение внешних периодических возмущений, закрутка потока и т.д. Дальнейшее развитие методов управления струйными течениями является актуальной задачей.
В то время как турбулентность принадлежит к числу физических явлений, весьма распространенных в природе и технике и представляет собой наиболее часто встречающуюся и вместе с тем наиболее сложную форму движения реальных жидкостей и газов, турбулентные течения являются чрезвычайно сложными объектами для исследования и описания. Так, уравнения, описывающие осредненные характеристики турбулентных течений, в' общем виде являются незамкнутыми, и для их решения применяются различные модели замыкания. Для описания достаточно сложных течений, особенно закрученных и ограниченных струй, необходимо развитие и применение комплексных моделей, что требует наличия обширных экспериментальных данных, таких как: высшие статистические моменты турбулентных пульсаций, пространственные дифференциальные характеристики, пространственные корреляции и т.д. Верификация методов численного расчета турбулентных потоков в их развитии в сторону описания более сложных течений при больших числах Рейнольдса, также является актуальной задачей.
Ставший к настоящему времени стандартным методом для измерений скорости в потоках жидкости и газа подход Particle Image Velocimetry (PIV) обладает рядом преимуществ - бесконтактность, высокая точность измерения, и др. Существенное его отличие от традиционных одноточечных методов исследования потоков - это возможность измерять пространственные распределения мгновенной скорости. Такая возможность, несомненно, позволяет исследовать пространственную структуру сложных гидродинамических объектов: локальных отрывных течений, крупномасштабных
вихревых образований, и рассчитывать широкий спектр величин: пространственные корреляции, пространственные дифференциальные характеристики, пространственные

спектры. Однако для расчета таких характеристик турбулентных потоков с достаточной точностью необходимо применять ряд алгоритмов обработки данных для минимизации погрешности, вызванной различными источниками. Еще одним, наименее изученным аспектом является влияние пространственного разрешения метода Р1У, имеющее большое значение при измерении характеристик турбулентных течений. Так, последние работы показывают, что, в то время как погрешность измерения мгновенной скорости обычно не превышает 3-5%, ограниченное пространственное разрешение метода может приводить к погрешности определения дифференциальных характеристик до 90%. Это делает актуальным развитие подходов оценки эффекта пространственного разрешения РГУ на измеряемые характеристики турбулентности.
В данном контексте, хорошо изученные и описываемые рядом моделей свободные затопленные струйные потоки являются примером достаточно простого неизотопного турбулентного течения, удобного для исследования возможности метода РГУ измерять гидромеханические характеристики потока. С другой стороны, свободная турбулентная струя является моделью для более сложных течений, таких как закрученные струи, импактные струи, а также пламена, описание которых стандартными моделями (например, часто используемой к-е моделью) затруднено, ввиду наличия зон рециркуляции, областей локального отрыва, и др. К тому же в литературе почти отсутствуют исчерпывающие экспериментальные данные (пространственные распределения вторых и третьих статистических моментов и т.д.) о таких потоках.
Цели работы
Целью настоящей работы являлось:
Развитие подходов для оценки влияния пространственного разрешения метода РГУ на величину измеряемых характеристик турбулентности: вторых и третьих статистических моментов пульсаций скорости, вторых моментов градиента скорости и диссипации. Анализ эффективности использования метода Р1У для измерения статистических моментов и диссипации в турбулентном потоке на примере экспериментального исследования дальней области свободной затопленной струи, а также течения импактной осесимметричной струи.
Применение реализованных подходов для метода РГУ к измерению пространственных , распределений статистических .моментов, а также членов уравнения баланса кинетической
энергии турбулентности в неограниченных и импактных закрученных турбулентных струях.

существенно увеличивающие тепломассообмен, в том числе и с окружающей средой, приводят к существенному увеличению диапазона устойчивого горения, в том числе и при обедненном режиме.
Однако наблюдения многих авторов показывают, что структура закрученных пламен может сильно меняться в зависимости от условий горения и организации течения, что вызвано влиянием различных физических механизмов. Эффект термического расширения существенно влияет на пространственную структуру закрученного течения так как форма РВЯ чувствительна к эффекту сил плавучести (Mourtazin and Cohen 2007), в то же время термическое расширение может существенно увеличивать скорость возвратного течения. В частности, работа Hartung et al. (2008) показала, что наличие горения сильно влияет на форму и размер зоны рециркуляции в потоке за плохо обтекаемым телом, часто использующимся для стабилизации пламени (Гупта и др. 1987). Также, в работе Schneider et al. (2005) авторы сообщают, что наличие горения приводит к подавлению прецессии вихревого ядра в закрученных пламенах, по сравнению с изотермическим потоком. Не смотря на то, что в литературе представлено достаточно большое количество работ, посвященных экспериментальному исследованию закрученных пламен в неограниченных и ограниченных условиях (Гупта и др. 1987, Anacleto et al. 2003, Meier et al. 2007, Williams et al. 2007) и содержащих визуализацию характерных режимов пламени, исследования области устойчивого горения, анализ выделенных частот пульсаций давления и скорости, измеренные пространственные распределения, в основном, ограничены полями средней скорости, температуры, и состава газа. То, что в литературе почти отсутствуют данные по турбулентной структуре (поля мгновенной скорости и завихренности, распределения компонент КЭТ) закрученных пламен, полученные с приемлемой точностью, объясняется сложностью экспериментальной задачи. В работе Ji and Gore (2002) представлены PIV измерения в обедненном закрученном пламени при числе Рейнольдса и закрутки 72 000 и
2,4, соответственно. Авторы показали существенную разницу в распределениях средней скорости при отсутствии и при наличии горения, однако измерения распределений кинетической энергии турбулентности были получены с приемлемой точностью только для изотермического потока, когда как для пламени точность измерения мгновенных распределений скорости была относительно не высока. Тем не менее, авторы четко показали интегральное уменьшение турбулентных пульсаций в потоке при обедненном горении.