Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время решение актуальных задач создания новой техники требует дальнейшего исследования способов интенсификации процессов тешюмассопереноса, поскольку существующие для этой цели методы моделирования в ряде случаев оказываются недостаточными. Проблема повышения эффективности и компактности систем охлаждения является чрезвычайно актуальной задачей и связана с решением ряда вопросов, которые сводятся, в первую очередь, к уменьшению массы этих систем и увеличению сроков их функционирования. К числу таких устройств можно отнести каналы, имеющие пористые теплонапряженные стенки. По конструкции каналы выполняются плоскими, осесимметричными или в форме дисков. Межканальное пространство, ограничивающее стенки каналов, пограничный слой на проницаемой поверхности, пористое и сублимационное охлаждение являются объектами настоящего исследования. При этом рассматриваются задачи течения и теплообмена разреженных, вязких и реологических сред в щелевых каналах и пористых материалах.
Поэтому разработка современных систем охлаждения нуждается во всесторонних теоретических и экспериментальных исследованиях процессов теп-ломассопереноса, возникающих при их проектировании.
В известной на сегодня научно-технической литературе эта область исследования является неполностью изученной, что подтверждает актуальность данной диссертационной работы, которая выполнялась по комплексному плану научно-исследовательских работ Воронежского государственного технического университета (гос. per. № 01890014250) и в соответствии с инновационной научно-технической программой (Приказ ПС РФ по высшему образованию № 386 от 22.06.92 г.).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является дальнейшее развитие и разработка методов расчетно-опытного моделирования процессов тепломассопереноса, и алгоритмов автоматизированного проектирования систем интенсивного охлаждения, позволяющих повысить эффективность и надежность работы элементов конструкций энергоустановок.
Для достижения указанной цели были постанлены и решены следующие задачи:
-
Разработка новых методов расчетно-опытного моделирования переноса массы и тепла и исследование систем охлаждения энергоустановок в интересах народного хозяйства.
-
Разработка методов расчета гидродинамики и теплообмена в щелевых каналах энергетических установок при наличии различных способов интенси-
фикации процесса охлаждения при течении разреженной, вязкой и вязкоупру-гой сред
-
Разработка математической модели переноса массы и тепла, описывающей двумерное турбулентное течение жидкости (газа) в пористой матрице при степенном законе движения охладителя от локальных источников.
-
Обобщение результатов и разработка метода расчета ламинарного пограничного слоя сжимаемого газа с применением операционного исчисления метода, определяющего поля концентраций и температур при переменном вду-ве (отсосе) и разрывных граничных условиях, на пористой поверхности.
-
Обобщение результатов экспериментальных исследований гидродинамики и теплообмена в пористых матрицах и проведение компьютерного моделирования с целью верификации теоретических моделей.
-
Разработка структуры моделей и алгоритмов, обеспечивающих интеграцию методов моделирования в САПР для автоматизированного обеспечения рационального выбора способов и методов охлаждения теплонапряженных элементов энергоустановок.
Научная новизна
-
Разработан метод расчета переноса массы и тепла, описывающий достоверную картину при наличии течения разреженной, вязкой и вязкоупругой сред в проницаемых каналах с различной геометрией.
-
Разработан аналитический метод расчета двумерных нелинейных турбулентных течений в пористых телах с различной геометрией при подаче от локальных источников, основанный на теории аналитических функций и преобразованиях Фурье с привлечением степенного закона движения.
-
Разработана математическая модель двумерного теплопереноса в пористой стенке при условии подачи охладителя от источников.
-
Разработаны математическая модель и метод расчета, позволяющий определять поля концентраций и температур при обтекании однофазной жидкостью (газом) вдоль пористой поверхности с разрывными граничными условиями, переменных вдуве (отсосе) и касательном напряжении трения.
-
Разработаны подсистемы и алгоритмы автоматизированного обеспечения моделирования процессов тепломассопереноса в элементах конструкции энергоустановок, обеспечивающих интеграцию полученных методов в САПР для выбора рационального варианта параметров и конструкции исследуемой системы охлаждения.
Достоверность результатов. Основные выводы и положения диссертации учитывают физические особенности исследуемых процессов, в работе использовали методы теории функций комплексной переменной, преобразование Фурье и метод Винера-Хопфа, современные численные методы, применимость
которых подтверждена современной расчетной практикой. Кроме того, определяется:
использованием в математических моделях фундаментальных уравнений переноса массы и тепла для сжимаемого пограничного слоя;
разработанными методами расчета, основашшми на применении преобразования Лапласа, гипергеометрических и гамма-функций. Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием экспериментальных и расчетных результатов и с данными других авторов в широком диапазоне изменения характерных параметров.
Практическая значимость и результаты внедрения работы. Результаты диссертационного исследования дают возможность:
-
Анализировать эффективность охлаждения теплонапряженных элементов конструкций энергоустановок, что позволяет более точно пропюзировать работоспособность подобных конструкций в реальных условиях эксплуатации.
-
Оценивать рациональность способов интенсификации массо- и тепло-переноса в щелевых каналах при течении разреженной, вязкой и вязкоупругой (неньютоновской) сред.
-
Изучать применительно к пористым стенкам широкий класс двумерных задач фильтрации, построить линии тока равного потенциала, распределения давления, изобарические (изотермические) поверхности при распределенной и подаче охладителя от источника.
-
Оценивать тепловой режим работы элементов конструкций энергоустановок с учетом гидродинамики течения охладителя.
-
Анализировать возможность теплозащиты поверхности с помощью пристеночного слоя на и за участком вдува.
-
Интегрировать разработанные методики в САПР с привлечением модельных исследований, что позволяет построить систему процедурных правил для автоматической проверки на непротиворечивость заданных требований к охлаждению теплонапряженных элементов конструкции энергоустановок.
Разработанные математические модели, аналитические и численные методы решения используются в проектной и расчетной практике отраслевой научно-исследовательской лаборатории Самарского государственного аэрокосмического университета, Воронежского механического завода, ОАО "Воро-нежпресс", ДП "Турбонасос" ФГУП КБ "Химавтоматика" (г. Воронеж), АО "Воронежская ТЭЦ", АО "Воронежавтотранс", РКК "Энергия" им. СП. Королева Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры промышленной теплоэнергетики Воронежского государствешюго технического университета
Апробация работы. Материалы и результаты, выполненных по теме диссертаций исследований, докладывались и обсуждались на Математической
школе "Понтряпшские чтения -V" (Воронеж, 1994); II Международной конференции "Идентификация динамических систем и обратные задачи" (Санкт-Петербург, 1994); IV Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Ярославль, 1994); II Российско-Китайско-Украинском симпозиуме по ракетно-космической технике (г. Ксиань, КНР, 1994); 1 Российской национальной конференции "Интенсификация теплообмена" (Москва, 1994), Международной конференции "Дифференциальные уравнения и их приложения" (Саранск, 1994); XXI молодежной научной конференции Тагаринские чтения" (Москва, 1995); Региональном межвузовском семинаре ЦЧР "Процессы теплообмена в энергомашиностроении" (Воронеж, 1995); Математической школе "Современные методы теории функций и смежные проблемы прикладной математики и механики" (Воронеж, 1995); II международной теплофизической школе "Повышение эффективности теплофтаиче-ских исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения" (Тамбов, 1995); Всероссийской студенческой научной конференции "Королевские чтения" (Самара, 1995); IV Российско-Китайском-Украинском симпозиуме по космической науке и технике (Киев, 1996); XXVI международной научно-технической конференции "Динамика и прочность двигателя" (Самара, 1996); XV Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций (Миасс, 1996); III Минском Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1996); Международной конференции по компактным теплообменникам в промышленности (США, Юга, Шоуберт, 1997); Международной научно-технической конференции "Авиация 21 века" (Воронеж, 1999); IV Международной конференции по теп-ломассопереносу (Индия, Нью-Дели, 2000); Ежегодной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава Воронежского политехнического института (Воронежского государственного технического университета) (Воронеж, 1990-1999 г.г.); в МГТУ им. Баумана (Москва, 1999); РКК "Энергия" им. СП. Королева (г. Королев Московской обл., 2000).
Публикации По теме диссертации опубликованы 1 монография, 2 учебных пособия, 49 статей и тезисов.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 340 страницах и состоит из введения, шести глав, выводов и приложения. Работа содержит 154 рисунка, 5 таблиц. Список использованных источников включает 203 наименования.