Теплообмен и гидродинамика в плоском канале с полусферическими выступами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ С ПОЛУСФЕРИЧЕСКИМИ ВЫСТУПАМИ

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ИЛЬИНКОВА ВЕНЕРА ГАМИРОВНА

Казань 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ» (КГТУ им. А.Н. Туполева) на кафедре «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Щукин Андрей Викторович

Официальные оппоненты - доктор технических наук Давлетшин Ирек Абдуллович;

кандидат технических наук, доцент Усенков Роман Анатольевич.

Ведущая организация - ОАО КПП « Авиамотор», г. Казань.

Защита состоится “ 14 ” марта 2012г. на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ» (КГТУ им. А.Н. Туполева) по адресу: 420111, г.Казань, ул. К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан 6 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для интенсификации теплообмена в охлаждающих каналах турбинных лопаток ГТД и ГТУ на внутренние поверхности стенок профиля наносят различные по форме сферические, поперечные, наклонные выемки или выступы, сплошные или разрезные ребра и др.

Известно, что сферические выступы характеризуются более быстрым приростом гидравлического сопротивления по сравнению с теплоотдачей, чем выемки, при прочих равных условиях. Особенно - полусферические. В окрестностях выступов более интенсивно образуются и функционируют крупномасштабные вихревые структуры и рециркуляционные течения, на что затрачивается значительная кинетическая энергия. Известно, что использование полусферических выступов в каналах приводит к трех-пятикратному превышению прироста гидравлического сопротивления по сравнению с увеличением теплоотдачи.

В связи с этим многорядные матрицы из полусферических выступов могут быть неприменимы в охлаждающих каналах турбинных лопаток из-за ограничений по располагаемому перепаду давления охлаждающего воздуха. В то же время, в целях снижения неравномерности температурного поля деталей ГТД и ГТУ может потребоваться локальное интенсифицирующее воздействие на процесс охлаждения воздухом стенки лопатки - интенсификация теплообмена на коротких участках охлаждаемой поверхности.

Так, со стороны горячего газа на задней половине спинки профиля сопловой лопатки, примыкающей к выходной кромке (в области «косого среза»), тепловая завеса не используется ввиду опасности отрыва потока газа. В то же время, на этом участке профиля нередко переходный пограничный слой трансформируется в турбулентный. Это предопределяет резкое (в несколько раз) увеличение коэффициента теплоотдачи от горячего газа к лопатке. Для противодействия высоким коэффициентам теплоотдачи со стороны горячего газа и устранения возможного перегрева этого участка лопатки необходимо со стороны охлаждаемой поверхности увеличить теплоотдачу к охлаждающему воздуху. Например - за счет установки пояска из нескольких рядов полусферических выступов. При этом одновременно с гидродинамическим воздействием на поток возрастет и площадь теплообменной поверхности со стороны охладителя.

Количество публикаций по теплогидравлическим характеристикам каналов со сферическими выступами невелико, а с их односторонним расположением - носят единичный характер. Но в этих единичных публикациях рассмотрены результаты исследований специфических каналов, предназначенных для использования в пластинчатых теплообменниках. Они имеют выемки на противоположной от выступов стороне канала. Кроме этого, в таких каналах подвод (отвод) теплоты - двухсторонний. И то и другое не свойственно системам охлаждения дефлекторных сопловых лопаток, в которых используется одностороннее расположение выступов, выполненных литьем на охлаждаемой поверхности профильной части лопатки. Причем подвод теплоты к потоку воздуха - односторонний. По данным С.З. Копелева и др. в вариантах двухстороннего и одностороннего подвода теплоты к воздуху в щелевых каналах теплоотдача на обтекаемых поверхностях различна.

В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной исследованию теплообмена и гидравлического сопротивления в плоском канале с односторонним расположением полусферических выступов и односторонним подводом к воздуху теплоты представляется актуальной.

Цель работы: разработать рекомендации по расчету теплоотдачи, гидравлического сопротивления и теплогидравлической эффективности плоского канала с односторонним расположением полусферических выступов в диапазоне изменения геометрических и режимных параметров, характерных для охлаждаемых турбинных лопаток газотурбинных двигателей и энергоустановок.

Задачи исследования:

1. На созданной экспериментальной установке провести исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в канале с односторонним расположением полусферических выступов при варьировании плотностью их расположения, высотой канала и режимными параметрами.

2. На основе визуализации течений, анализа распределений местных коэффициентов теплоотдачи на выступах, а также проведенных с помощью программного пакета FlowVizion гидродинамических расчетов физически обосновать характер влияния на среднюю теплоотдачу геометрических параметров канала с выступами.

3. На основе полученных данных определить теплогидравлическую эффективность каналов с односторонним расположением полусферических выступов в исследованном диапазоне изменения их режимных и геометрических параметров.

4. Разработать рекомендации по расчету теплоотдачи и сопротивления в канале с односторонним расположением полусферических выступов применительно к системам охлаждения сопловых лопаток турбины ГТД и ГТУ. Проиллюстрировать использование полученных данных результатами сравнительных расчетов охлаждаемых лопаток ГТД.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

1. Установлено, что в исследованном диапазоне изменения геометрических и режимных параметров средняя теплоотдача на стенке плоского канала с полусферическими выступами с учетом возрастания площади поверхности увеличивается на турбулентном режиме течения до 3,6 раз, а коэффициент гидравлического сопротивления - до 12 раз по сравнению с гладким каналом.

2. Выявлен неодинаковый характер изменения средней теплоотдачи на полусферических выступах в условиях варьирования относительной высоты канала H/h. При уменьшении H/h от 2,86 до 1,28 теплоотдача на выступах не изменяется. Дальнейшее уменьшение H/h приводит к снижению теплоотдачи на их поверхности. При максимальной стесненности канала, когда H/h = 1, теплоотдача на выступах на 15...20% меньше, чем в нестесненном канале.

3. Установлено немонотонное влияние относительной плотности f расположения выступов в канале на теплоотдачу от выступов для различных значений относительной высоты канала. Максимальное значение теплоотдачи на выступах наблюдается при f = 0,25...0,30. При этом средняя теплоотдача примерно на 20% превышает теплоотдачу на одиночном выступе при прочих одинаковых условиях.

4. Полученные опытные данные по местной теплоотдаче, результаты визуализации пристенных течений, а также проведенные с помощью программного пакета FlowVizion гидродинамические расчеты позволили физически обосновать характер влияния на среднюю теплоотдачу геометрических параметров канала с выступами.

5. Выявлено, что полученные опытные данные по энергетической эффективности исследованных плоских каналов с односторонним расположением полусферических выступов перекрывают область поверхностной шероховатости, ограниченную линиями Нуннера.

6. На основе полученных опытных данных разработаны рекомендации по расчету гидравлического сопротивления и средней теплоотдачи в канале с полусферическими выступами. Они использованы в сравнительных расчетах температурного состояния участков охлаждаемой дефлекторной сопловой лопатки турбины, требующих интенсивного внутреннего охлаждения.

Автор защищает:

1. Опытные данные по средней и местной теплоотдаче на полусферических выступах, установленных в плоском канале при варьировании относительной плотностью их расположения, режимными параметрами и высотой канала.

2. Результаты опытного исследования коэффициента гидравлического сопротивления в плоском канале с полусферическими выступами при изменении его геометрических и режимных параметров.

3. Данные по теплогидравлической эффективности плоских каналов с односторонним расположением полусферических выступов в исследованных условиях. теплоотдача гидравлический полусферический сопротивление

4. Рекомендации по расчету средней теплоотдачи, гидравлического сопротивления в плоских каналах с полусферическими выступами и их теплогидравлической эффективности, разработанные на основе выполненного исследования.

Практическая значимость. Выработанные на основе анализа и обобщения полученных опытных данных рекомендации по расчету теплообменных каналов получены в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров. Направление теплового потока в опытах, геометрические и режимные параметры, а также представленные в числах подобия результаты выполненных исследований соответствовали условиям работы систем охлаждения ГТД и ГТУ.

Эти рекомендации позволяют рассчитать и спроектировать каналы систем охлаждения сопловых лопаток высокотемпературных газотурбинных двигателей и установок с односторонним расположением полусферических выступов на заданные теплогидравлические характеристики. Кроме этого, полученные в диссертации опытные данные могут быть использованы для верификации соответствующих математических моделей. Полученные результаты позволят более глубоко понять теплогидравлические процессы, происходящие в плоском канале с односторонним расположением полусферических выступов и односторонним отводом теплоты от стенки.

Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (ГК№14.740.11.0320).

Достоверность и обоснованность полученных научных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и аттестованных средств измерения теплогидравлических параметров, многократным повторением выполненных измерений, расчетом погрешности полученных опытных данных, удовлетворительным согласованием результатов, полученных в стандартных условиях, с данными других авторов.

Личный вклад автора. Соискатель участвовала в создании опытной установки, лично выполнила основную программу экспериментов, обработку, анализ и обобщение полученных опытных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и получили одобрение на XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях” 23-27 мая 2011 г., г.Звенигород Московской обл.; на XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции КВВКУ “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология”, г.Казань, 2011г.; на XIX Туполевских чтениях, г.Казань, КГТУ-КАИ, 2011г.; на VI международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики ИАНТЭ - 2011», на юбилейной конференции «Давыдовские чтения» в Национальной Академии прикладных наук РФ, г.Москва, 2012 г.; на научных семинарах кафедры “Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели”, КГТУ-КАИ, г.Казань, 2010-2012 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. Одна работа опубликована в рекомендуемом ВАК журнале.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунков, 3 таблиц. Список использованной литературы включает 102 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, отмечены ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе диссертации выполнен обзор литературы по результатам исследований интенсификации теплообмена сферическими выступами: монографии В.М. Бузника; Ю.Ф. Гортышова, И.А. Попова, В.В. Олимпиева,
А.В. Щелчкова; А.А.Халатова; научные статьи И.Г.Федорова и др.; А.К. Анисина; М.А. Готовского, М.Я. Беленького, Б.С. Фокина; В.М.Легкого, Ю.А.Бабенко, В.А.Дикого; К.Л. Мунябина; И.Л.Шрадера и др; S.D.Hwang, H.H.Cho. Рассмотрены результаты исследований других авторов.

Как следует из анализа публикаций по исследуемой теме, количество результатов исследований теплогидравлических параметров каналов со сферическими выступами сравнительно невелико, и они относятся к двухстороннему расположению выступов в канале, что характерно для пластинчатых рекуперативных теплообменников с двухсторонним подводом или отводом теплоты.

В настоящее время продолжается накопление опытных данных по различным интенсификаторам теплообмена, включая и сферические выступы.

Выполненный в первой главе диссертации критический анализ опубликованных работ показал, что процессы теплообмена и сопротивления в плоском канале с односторонним расположением сферических выступов при одностороннем подводе теплоты практически не изучены.

Для решения поставленных задач необходимо провести экспериментальное исследование системы выступов в плоском канале с односторонним их расположением в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров.

В конце первой главы диссертации сформулированы задачи исследования.

Во второй главе дано описание экспериментального стенда и объектов исследования, методики проведения экспериментов и обработки опытных данных. Сделана оценка относительной погрешности получаемых опытных данных.

Экспериментальная установка для исследования гидравлического сопротивления и теплоотдачи на полусферических выступах в плоском канале (рис.1) представляла собой аэродинамическую трубу, работающую в режиме разрежения.

Рабочий участок - канал прямоугольного сечения шириной 400 мм и высотой H = 35, 45, 60, 80 и 100 мм. Перед рабочим участком был установлен плоский гладкий канал длиной 1м. На одной из стенок рабочего участка, где за обводами входного устройства установлена турбулизирующая проволочка, располагалась система полусферических выступов. Исследованные схемы матриц приведены на рис.2. Кроме этого, эксперименты проводились и на одиночном выступе.

Рис. 1 Схема экспериментальной установки: 1 - рабочий участок, 2 - теплообменная модель выступа, 3 - компрессор, 4 - заслонка, 5 - переключатель сигналов термопар (ПМТ), 6 - измерители давления (ПРОМА ДДМ-40 ДИ), 7 - расходомер, 8 - модуль АЦП (Е-270), 9 - компьютер



f=0.058 f=0.236 f=0.485 f=0.88

Рис. 2 Исследованные варианты плотности расположения выступов в матрице

Размещено на http://www.allbest.ru/

а б в

Рис. 3 Элементы установки: а - проточная часть опытного участка; б, в - общий вид и схема теплообменной модели выступа с нагревателем



а б

Рис. 4 Фрагменты полученных опытных данных по средней теплоотдаче на выступе: а - f=0,236 б - f=0,485; условные обозначения см. в таблице 1; Nu₀ - теплоотдача в гладком канале на турбулентном режиме

Таблица 1

	H/h
f	1	1.29	1.71	2.29	2.86
0.058
0.236
0.485
0.88

Для исследования теплоотдачи использовалась теплообменная модель полусферического выступа диаметром d =70 мм и высотой h =35 мм, установленная в 3-м…8-м поперечном ряду (в зависимости от схемы расположения выступов) на продольной линии симметрии канала. Стенка опытного участка, на которой установлены выступы (рис.3,а) была изготовлена из текстолита.

Тепловой поток создавался электронагревателем, установленным в полости теплообменной модели выступа, где за счет прослойки из песка обеспечивалось условие qсonst (рис. 3,б). Температурный фактор Т_ст.в/ Т_в^* ? 1,25.

На внутренней, внешней и торцевой поверхностях теплообменной модели были установлены 62 хромель-алюмелевые термопары с разнесенным спаем, которые позволяли получать распределение поверхностных температур по контуру модели выступа в различных меридиональных сечениях с шагом полярного угла 45⁰ (рис. 3,в).

Опытные исследования проводились при числах Рейнольдса Re_h=(0,64...8,33)•10⁴ и Re_D=(0,29...1,4)•10⁵,определенных по высоте выступа и по эквивалентному гидравлическому «смоченному» диаметру канала, соответственно. Относительная высота канала H/h принимала следующие значения: 1,0; 1,28; 1,71; 2,29 и 2,86, а относительная плотность расположения выступов f - 0,058; 0,236; 0,485; 0,880.

Теплоотдача на поверхности полусферического выступа рассчитывалась градиентным методом. Плотность теплового потока определялась с помощью программного пакета ANSYS на основе численного расчета трехмерного температурного поля, измеренного в дискретных точках теплообменной модели.

Местный коэффициент теплоотдачи определялся по формуле:

б_{i =} л_ст(ДТ_i/Дn)_n=0/(T_cт.i-T^*_в), (1)

где (ДТ_i/Дn)_n=0 - местный градиент температуры на исследуемой теплообменной поверхности; л_ст - коэффициент теплопроводности стенки модельного выступа.

Опытные данные по теплоотдаче представлялись в виде чисел Нуссельта Nu_h и Nu_D.

Коэффициент гидравлического сопротивления канала с выступами определялось соотношением:

, (2)

где количество точек измерения давлений на каждом режиме в выходном поперечном сечении канала зависело от его высоты и составляло от 400 до 800.

Полученные опытные данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению в каналах с полусферическими выступами представлялись в форме уравнений подобия, удобных для инженерных расчетов.

Визуализация течений выполнялась нанесением на покрашенную белой краской поверхность черного порошка.

В диссертации исследован турбулентный режим течения воздуха в опытном участке, свойственный условиям работы систем воздушного охлаждения ГТД и ГТУ с интенсификаторами теплообмена.

Относительная погрешность определения числа Re находилась в интервале ±2,2%, коэффициента сопротивления - в интервале ±6,2%, а числа Nu - в интервале ±15,6% при доверительной вероятности 0,95.

В третьей главе диссертации представлены результаты тестовых экспериментов. Проанализированы результаты полученных опытных данных о средней и местной теплоотдаче на выступах при варьировании относительной высотой канала, относительной плотностью расположения выступов и числом Рейнольдса. Приведены соответствующие уравнения подобия. Анализируются результаты визуализации пристенных течений.

Была подтверждена стабильность показаний 62-х поверхностных термопар на теплообменной модели полусферического выступа, помещенного в термостат. Степень турбулентности потока Tu во входном сечении опытного участка, определенная по продольным пульсациям скорости, составляла 3,8...4,1 %.

Результаты исследований теплоотдачи на выступах при различных относительных высотах канала H/h (1,0; 1,28; 1,71; 2,29 и 2,86) при изменении относительной плотности расположения выступов показали, что средняя теплоотдача на выступах Nu_D превышает ее значения в гладком канале на турбулентным режиме течения. В исследованном диапазоне изменения числа Рейнольдса для каждого из фиксированных значений относительной плотности расположения выступов f во всем диапазоне изменения H/h показатель степени m при числе Re_D в уравнении (3)

Nu_D = АRe_D^m (3)

был стабильным: разброс значений m не превышал ±0,01. В то же время, изменение относительной плотности расположения выступов f при одинаковых значениях H/h приводит к более широкому диапазону изменения значения показателя степени при числе Рейнольдса: m = 0,55…0,70.

Отметим, что для двухстороннего расположения полусферических выступов и турбулентного режима течения в плоском канале по данным Ю.Ф. Гортышова, И.А. Попова и др. значение m = 0,75. Для шахматных компоновок

гладких поперечно обтекаемых труб по многочисленным опытным данным, обобщенным Е.Н. Письменным, m = 0,6…0,74.

Более пологое расположение линий Nu_D = f(Re_D) в наших исследованиях по сравнению с турбулентным режимом течения в гладком канале (типичные данные представлены на рис. 4 а,б.) связано с обтеканием поверхности выступов турбулентным потоком с макровихрями, формирующимися в отрывных течениях за предстоящими выступами. Условия обтекания выступов при разной плотности их расположения неодинаковы. Они определяются влиянием ближнего или дальнего следа. Более подробно об этом говорится в четвертой главе диссертации.

Как следует из рис. 5, где представлены результаты исследований средней теплоотдачи на выступах в виде зависимости Nu_h/Nu_Н=h = f(H/h), при уменьшении относительной высоты канала H/h от 2,86 до 1,71 теплоотдача на выступах не изменяется. Дальнейшее уменьшение H/h приводит к снижению теплоотдачи на их поверхности. При H/h = 1, когда выступы упираются в противоположную гладкую стенку, это снижение составляет 15-20% по сравнению с теплоотдачей на выступах в нестесненном канале.

Плотность расположения выступов f влияет на среднюю теплоотдачу на их поверхности немонотонно (рис. 6). Так, в области f ? (0,25...0,3) при увеличении f она возрастает.

Максимальная теплоотдача на выступах наблюдается при относительной плотности их расположения f = 0,25...0,3. В этом случае значения продольного шага в своем продольном ряду таково, что выступ находится непосредственно в области, в которой интенсивность генерации крупных вихрей и турбулентных пульсаций скорости наиболее высоки. Воздействие передней области дальнего следа с максимальной интенсивностью конвективного переноса на обтекаемый выступ можно трактовать как обтекание его турбулентной струей.

По результатам проведенной нами визуализации течений, подробно проанализированным в диссертации, протяженность области ближнего следа составляет (1,3…1,7)d. Получается, что максимальная теплоотдача на выступе имеет место при относительном продольном шаге выступов в своем продольном ряду t_x/d=3,4…3,6. При этом расстояние границы ближнего следа до лобовой точки нижерасположенного выступа составляет около одного диаметра выступа.

При f > 0,25...0,3 увеличение плотности расположения выступов приводит к снижению теплоотдачи

Уравнения подобия в форме (3), полученные в исследованном диапазоне изменения числа Рейнольдса, для соответствующих значений f и H представлены в таблице 2.



Рис. 5 Изменение средней теплоотдачи на выступе при варьировании относительной высотой канала H/h: Re_h = 21000; условные обозначения см. в таблице 1

Рис. 6 Влияние плотности расположения выступов на среднюю теплоотдачу: Re_h = 21000; условные обозначения см. в таблице 1

а б

Рис. 7 Местная теплоотдача на поверхности выступа в продольной (а) и поперечной (б) плоскостях симметрии: H/h = 2,86; Re_h = 21000; f = 0,058; 0,236; 0,485; 0,880



а

б в

Рис. 8 Результаты измерения профиля продольной скорости в канале с выступами: а - схема пошагового перемещения трубки Пито-Прандтля в поперечном сечении канала; б - профиль скорости при H/h - 2,86; в - H/h = 1

Таблица 2

	f
H/h	0.058	0.236	0.485	0.88
1	-
1.29	-			-
1.71
2.29			-	-
2.86

Отметим, что в приведенных в этой таблице уравнениях подобия в качестве характерного размера использован эквивалентный гидравлический диаметр канала. Это связано с удобством применения полученных данных в инженерных методиках расчета воздушного охлаждения лопаток турбин.

Теплоотдача между выступами рассчитывалась по результатам опытных исследований S.D.Hwang, H.H.Cho, полученным для двухстороннего их расположения. По этим данным средняя теплоотдача на поверхности между выступами и на задней части выступа при f ? 0,5 одинаковы. По мере увеличения относительной плотности расположения выступов f доля площади исходно гладкой поверхности между выступами F_меж по сравнению с площадью поверхности выступов F_сф, уменьшается. Так, если при f = 0,5 значение F_сф/F_меж= 2, то при f = 0,7 и 0,8 - соответственно, 4,67 и 8. Поэтому в важном диапазоне значений f (0,6…0,8) как с точки зрения высокой эффективности охлаждения турбинных лопаток, так по технологической доступности изготовления такого рода матриц, такой подход к заданию граничных условий теплообмена на участках поверхности F_меж не приводит к увеличению погрешности расчета температур лопатки, что и было подтверждено сравнительными расчетами.

Распределение местных коэффициентов теплоотдачи по поверхности полусферического выступа в глубинном ряду матрицы представлено на рис. 7. Как видно, (рис. 7,а), в продольной плоскости симметрии наиболее высокие значения коэффициентов теплоотдачи наблюдаются в лобовой части прикорневой области выступа. В затылочной части прикорневой области превышение теплоотдачи над центральной областью выступа не столь велико. Относительная ширина прикорневой области b/d на участке поверхности выступа в направлении меридиональной образующей от его основания к полюсу составляет примерно 0,26. На рис. 7 видно, что в лобовой области численные значения максимумов теплоотдачи на этих участках примерно на 60% превышают соответствующие максимумы в затылочной области выступа. На его боковых поверхностях (рис.7,б) ширина этого «пояса» составляет b/d ? 0,35.

Выполненная нами визуализация пристенного течения с помощью белой краски и сажи показала, что при f ? 0, 485 вокруг каждого выступа в матрице образуется торообразная кольцевая область крупномасштабных вихревых структур. В заднем секторе выступа с полярным углом ц= ±15…20^о, отсчитываемом от плоскости продольной симметрии, эта структура разрушается и поглощается рециркуляционным течением, образующимся в ближнем вихревом следе.

Таким образом, образующийся в прикорневой области выступа «пояс» с относительной шириной b/d ? 0,26...0,35 обеспечивает наибольший вклад в теплоотдачу от выступов в поток. Причем, характер распределения местных коэффициентов теплоотдачи по поверхности выступа не зависит от высоты канала.

В четвертой главе диссертации приведены результаты тестовых опытов по измерению полей осредненной продольной скорости во входном сечении канала и сопоставлением их с каноническими данными для турбулентного пограничного слоя. Анализируются результаты исследования коэффициента гидравлического сопротивления, приводятся полученные для этих условий расчетные уравнения; проанализированы данные по экспериментально полученным полям продольной составляющей скорости в поперечном сечении канала в его выходном сечении за выступами. На основе полученных данных рассмотрен физический механизм влияния относительной высоты канала и относительной плотности расположения выступов в матрице на среднюю теплоотдачу на выступах. Приведены данные по энергетической эффективности исследованных каналов с выступами; даны рекомендации по расчету теплогидравлических параметров исследованных каналов, а также результаты сравнительных расчетов по ним температурного состояния участка дефлекторной сопловой лопатки турбины высокого давления, требующих интенсивного охлаждения.

Тестовые опыты по гидродинамике заключались в измерении профиля продольной скорости на входе в опытный участок, который был сопоставлен со стандартным профилем скорости w_x/w_x?=(y/д)^1/7. В диссертации показано их удовлетворительное соответствие (расхождение в данных не превышало ±2,5%). Кроме этого, сравнительный анализ картин распределения продольных скоростей w_x в выходном сечении канала с различными значениями H/d показал, что на гидродинамику обтекания расположенной в центре канала теплообменной модели сферического выступа, на котором проводились исследования теплоотдачи, боковые стенки не влияют.

Детальное траверсирование поперечного сечения канала за выступами показало следующее. В нестесненном канале (H/h > 1) профиль продольной скорости w_x имеет ярко выраженную s-образную форму, характерную для сдвиговый течений (рис. 8,а). В канале с максимальной стесненностью, когда H/h=1, неравномерность профиля скорости по высоте канала значительно снижается (рис. 8,б) за счет исчезновения «байпасного» участка около гладкой поверхности над выступами при H/h > 1, по которому поток воздуха беспрепятственно перемещается по каналу.

Особенно хорошо это различие в профилях скорости прослеживается при высокой плотности расположения выступов, которая свойственна системам охлаждения лопаток.

Экспериментально исследованные варианты обтекания выступов турбулентным потоком при H/h > 1 и H/h =1 численно моделировались с помощью программного пакета FlowVision. Были использованы расчетная модель несжимаемой жидкости и модель турбулентности Ментера (SST). Расчетная сетка - прямоугольная, адаптивная с локальным измельчением 3-го уровня и подсеточным разрешением геометрии. Количество расчетных ячеек - около 800 000.

Полученные результаты численных расчетов подтвердили существенные различия в полях скоростей для случаев H/h > 1 и H/h =1. Они показали наличие практически невозмущенного потока около гладкой противоположной стенки и позволили оценить местоположение границы за выступом между ближним и дальним следом.

Приведенные в третьей главе диссертации данные о снижении теплоотдачи на выступах в стесненном канале следует из физических представлений, связанных с диссипацией кинетической энергии невозмущенного потока, контактирующего со сдвиговым течением. Действительно, во всех исследованных нами случаях, кроме H/h = 1, имеет место взаимодействие практически невозмущенного потока, текущего вдоль противоположной теплоизолированной гладкой стенки, с турбулизированным выступами потоком, содержащим крупные вихри. Таким образом, в условиях H/h > 1 происходит известный процесс переноса кинетической энергии от потенциального потока вихревому турбулентному течению в сдвиговом слое за счет значительных турбулентных напряжений в окрестностях разделяющей их границы.

В то же время, при H/h=1, когда выступы упираются вершинами в противоположную стенку канала, и, следовательно, невозмущенного потока не существует, нет и источника, откуда вихревой поток получает кинетическую энергию. Следствием этого является снижение интенсивности образования крупных вихрей и интенсивности турбулентных пульсаций в области выступов, а значит - и замедление конвективного теплопереноса от выступа в обтекающий его поток. Этим объясняется установленный характер изменения теплоотдачи на выступах в зависимости от H/h.

Что касается немонотонности изменения теплоотдачи в зависимости от плотности расположения выступов, то это происходит потому, что при редком расположении выступов, по мере увеличения f выступ начинает все более подпадать под воздействие дальнего следа, образующегося за впереди стоящим выступом в своем продольном ряду. В этой области крупные вихри разрушаются на более мелкие, передавая кинетическую энергию турбулентным пульсациям скорости, которые увеличивают теплоотдачу на поверхности обтекаемого потоком выступа.

В области высоких значений f по мере увеличения плотности расположения выступов происходит снижение теплоотдачи, которое является следствием малых продольных и поперечных шагов выступов. Вследствие этого выступ контактирует с низкоскоростными рециркуляционными течениями из области ближнего вихревого следа, развивающегося за впередистоящими выступами соседнего поперечного ряда. В нашем случае при f=0,485 продольный шаг между соседними выступами составляет х/d ? 1 при продольной протяженности ближнего следа (1,3…1,7)d. При максимальном же значении f теплоотдача на выступах наиболее низка, поскольку в этом случае в прикорневой области нет условий для образования подковообразных вихревых структур, что подтвердила визуализация пристенных течений.

Таким образом, анализ обтекания полусферических выступов при изменении H/h и f, выполненный на основе визуализации течений, численных расчетов и характера изменения местной теплоотдачи, показал, почему различные геометрические параметры плоских каналов с выступами приводят к неодинаковой средней теплоотдаче в исследованных условиях.

Из результатов экспериментов по исследованию гидравлического сопротивления в каналах следует, что изменение плотности расположения выступов на стенке канала приводит к разбросу данных по о_D = f(Re_D) в пределах доверительного интервала относительной погрешности. Влияние же высоты канала более существенно.

На рис. 9 видно, что показатель степени n при числе Re_D в зависимости о_D = B/Re_Dⁿ составляет около 0,25. Из этого рисунка следует также, что при H/h = 2,86 коэффициент гидравлического сопротивления о_D примерно в 10 раз больше, чем в гладком канале при прочих равных условиях. На этом же рисунке нанесены полученные Ю.Ф. Гортышовым, И.А.Поповым, А.В. Щелчковым опытные данные для каналов с двухсторонним расположением полусферических выступов в сопоставимых условиях. Как видно, опытные точки этих авторов при Re_D ? 10000 имеют практически одинаковый наклон и одинаковый уровень гидравлического сопротивления при сравнении с полученными нами данными.

Полученные в настоящей диссертационной работе опытные данные по коэффициенту гидравлического сопротивления в исследованном диапазоне изменения геометрических и режимных параметров представлены уравнениями:

при H/h=1 ; (4)

при H/h=1,71 ; (5)

при H/h=2,86 . (6)

Рис. 9 Гидравлическое сопротивление плоского канала с полусферическими выступами: H/h = 1,0; 1,71; 2,86; f = 0,236 …0,88; условные обозначения см. в таблице 1

Рис. 10 Энергетическая эффективность интенсификации теплообмена: 1 - внутреннее кольцевое оребрение; 2 - сферические выступы на плоской поверхности; 3 - цилиндрические штырьки; 4 - выступы-выемки;
5,6,7 - сплошные и разрезные ребра (из монографии А.А. Халатова); заштрихованная область - данные автора (плоский канал с односторонним расположением выступов)

Теплогидравлическая эффективность плоского канала с полусферическими выступами показана на рис. 10. Из результатов проведенных экспериментов видно, что полученные опытные данные перекрывают область поверхностной шероховатости, ограниченной линиями Нуннера. Сравнительный анализ данных показывает, что в исследованном диапазоне изменения геометрических и режимных параметров матрицы полусферических выступов, установленные на одной стороне плоского канала, демонстрируют повышенный прирост гидравлического сопротивления по сравнению с приростом теплоотдачи. Тем не менее, потери полного давления воздуха в охлаждающем канале лопатки могут быть снижены до приемлемого уровня уменьшением количества поперечных рядов выступов.

В связи с этим можно полагать, что наиболее привлекательным вариантом использования таких односторонних матриц выступов является локальное интенсифицирующее воздействие на коротких участках охлаждающих трактов с целью управления температурного поля охлаждаемой лопатки.

Рекомендации по расчету теплоотдачи и гидравлического сопротивления в исследованных условиях, сформулированные и представленные в диссертации, базируются на полученных автором уравнениях подобия. Эти уравнения соответствуют условиям работы систем воздушного охлаждения плоских каналов с односторонним расположением полусферических выступов.

Применение разработанных рекомендаций продемонстрировано на сопловой охлаждаемой лопатке, схематично изображенной на рис.11,а. На рис.11,б представлены результаты выполненных в программном пакете MathCAD сравнительных расчетов температурного состояния интенсивно охлаждаемого участка профиля сопловой лопатки турбины высокого давления пояском с полусферическими выступами.



Размещено на http://www.allbest.ru/

а б

Рис. 11 Результаты расчета температуры внешней поверхности профиля сопловой дефлекторной лопатки: а - схема лопатки с пояском выступов на внутренней поверхности спинки (вогнутая часть профиля и дефлектор условно удалены); б - температурное поле поверхности профиля в области скачка коэффициента теплоотдачи со стороны потока газа: с пояском выступов и в гладком щелевом канале

Хорошо виден эффект установки этого пояска в гладком щелевом охлаждающем канале для выравнивания температурного поля лопатки.

Основные исходные параметры для расчета: хорда профиля лопатки b=73мм; толщина стенки профиля д =2 мм; температура газового потока Т_г^*=1480К; температура охлаждающего воздуха с учетом его подогрева до расчетного участка Т_в^*= 1000К; высота охлаждающего канала Н = 2 мм; высота полусферических выступов h = 0,58 мм; плотность расположения выступов f составляет 0,485; протяженность расчетного участка на стенке профиля - Дx=14,35 мм; количество расположенных в шахматном порядке рядов выступов z = 11; перед пояском выступов охлаждающий канал - гладкий, с редко расположенными выступами на дефлекторе для его фиксации.

Результаты выполненных расчетов показали, что за счет установки пояска выступов на охлаждаемой стенке лопатки максимальная ее температура на расчетном участке снижается на 80...100К.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 На основе опытных данных по средней теплоотдаче на полусферических выступах плоского канала при одностороннем их расположении и по коэффициентам гидравлического сопротивления канала в широком диапазоне изменения геометрических параметров канала на турбулентном режиме течения. Получены уравнения подобия для расчета теплоотдачи и сопротивления в исследованных условиях.

2. Выявлено, что при уменьшении относительной высоты канала H/h от 2,86 до 1,28 теплоотдача на выступах не изменяется. Дальнейшее уменьшение высоты приводит к снижению теплоотдачи на их поверхности на (15…20)%.

3. Установлено, что относительная плотность расположения выступов f на стенке канала влияет на теплоотдачу немонотонно. Максимальное ее значение, наблюдаемое при f = 0,25...0,30, на 20% превышает теплоотдачу на одиночном выступе при прочих равных условиях.

4. Выполненная визуализация пристенных течений в матрице выступов и проведенные с помощью программного пакета FlowVision гидродинамические расчеты позволили физически обосновать полученные закономерности влияния геометрических и режимных параметров на теплоотдачу в исследованных условиях.

5. Определена теплогидравлическая эффективность интенсификации теплообмена полусферическими выступами в плоском канале с односторонним их расположением. Установлено, что во всем исследованном диапазоне изменения геометрических параметров канала опытные точки перекрывают область поверхностной шероховатости, ограниченной линиями Нуннера.

6. Результаты сравнительных тепловых расчетов показали, что в реальных режимных условиях поясок полусферических выступов, установленный в гладком охлаждающем канале сопловой дефлекторной лопатки, позволяет уменьшить температуру перегретого участка на 80…100К.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Н - высота канала; h - высота полусферического выступа; L, D_г - длина и эквивалентный гидравлический диаметр канала (в канале с выступами значение D_г рассчитывалось по «смоченному» периметру); w_ср - среднемассовая скорость потока в канале; p_вых.ср^* - давление торможения потока воздуха в выходном сечении опытного участка, которое осреднялось по измеренным в выходном поперечном сечении канала местным значениям давления p_вых.i^*; f - относительная плотность расположения выступов - отношение суммарной площади проекций выступов к площади исходно гладкой поверхности; Nu_h, о_h, Nu_D, о_D - числа Нуссельта и коэффициента гидравлического сопротивления, определенные по высоте выступа и по гидравлическому диаметру гладкого канала D_г, соответственно; Nu₀, о₀ - число Нуссельта и коэффициент гидравлического сопротивления в гладком канале с турбулентным пограничным слоем («стандартные условия»); Т^* - температура торможения потока; р, р^* - статическое и полное давления в потоке, соответственно.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК:

1. Ильинкова В.Г. Теплоотдача на полусферических выступах при различной плотности их расположения на стенке канала / Ильинков А.В., Ильинкова В.Г., Щукин А.В.// “ИВУЗ Авиационная техника”, №2, 2011. С. 43-47.

Работы, опубликованные в других изданиях:

2. Ильинкова В.Г. Структура потока за полусферическими выступами / Ильинкова В.Г., Бассариев Р.Ф. // Тезисы докладов XVI-й Международной научной конференции «Туполевские чтения», г.Казань, 2008 г., С.284-285.

3. Ильинкова В.Г. Особенности теплоотдачи в плоском канале при различной плотности расположения полусферических выступов / Ильинкова В.Г., Ильинков А.В., Щукин А.В., Исаков Д.В. // Сборник материалов XXIII Всероссийской межвузовской н/т конференции “Электромеханические и внутренние процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий”. Часть 2, Казань, КВВКУ, 2011 г., С.99.

4. Ильинкова В.Г. Распределение местных коэффициентов теплоотдачи по поверхности полусферических выступов в плоском канале/ Ильинков А.В., Ильинкова В.Г., Щукин А.В., Хабибуллин И.И.// Сборник материалов XXIII Всероссийской межвузовской н/т конференции “Электромеханические и внутренние процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий”. Часть 2, Казань, КВВКУ, 2011 г., С. 100-101.

5. Ильинкова В.Г. Теплоотдача на полусферических выступах в плоском канале / Ильинков А.В, Ильинкова В.Г., Щукин А.В. // Труды XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева 23-27 мая 2011 г., г. Звенигород. В 2 томах. Т.1. М.: МЭИ, 2011 г. С. 273-274.

6. Ильинкова В.Г. Гидравлическое сопротивление и теплогидравлическая эффективность щелевого канала с полусферическими выступами / Ильинкова В.Г., Зорин К.В. // Тезисы докладов XIX-й Международной молодежной научной конференции “Туполевские чтения”, г.Казань, 2011 г., Т1, C. 299.

7. Ильинкова В.Г. Теплоотдача от полусферических выступов в щелевом стесненном канале / Ильинкова В.Г., Хабибуллин И.И. // Тезисы докладов XIX Международной молодежной научной конференции “Туполевские чтения”, г.Казань, 2011 г., Т1, C. 300.

8. Ильинкова В.Г. Дискретная интенсификация охлаждения пояском сферических выступов / Ильинков А.В., Ильинкова В.Г., Щукин А.В.// Тезисы докладов VI международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2011», г. Казань, 2011 г., Т1, С. 435-438.

Размещено на Allbest.ru

...