Математическое моделирование и численное исследование турбулентных потоков на основе анализа пульсаций давления Хахалев Юрий Андреевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Проблематика моделирования турбулентных течений при наличии управляющих воздействий. цель и задачи исследования

1.1. Классификация методов управления пристенной турбулентностью

1.2. Моделирование реакции турбулентного пограничного слоя 31

1.3. Использование результатов анализа пульсаций в моделировании турбулентности

1.4. Выводы. Цель и задачи исследования 65

ГЛАВА 2. Анализ численных методов решения системы уравнений турбулентного, пограничного слоя при наличии управляющих воздействий. математическая формулировка задачи. методика определения показателя херста

2.1. Численные методы решения системы дифференциальных уравнений турбулентного пограничного слоя

2.2. Описание возможных способов решения системы дифференциальных уравнений пограничного слоя при наличии управляющих воздействий методом конечных разностей

2.3. Математическая формулировка задачи пограничного слоя турбулентного потока в условиях управляющих воздействий и численный метод ее решения

2.4. Метод определения показателя Херста пульсаций давления турбулентного потока

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. Методика и результаты экспериментального исследования сопротивления трения и пульсаций давления турбулентного потока при наличии управляющих воздействий

3.1. Оборудование для исследования пульсаций давления турбулентного потока при наличии управляющих воздействий демпфирующими полостями

3.2. Методика проведения эксперимента и обработки опытных данных. Анализ погрешности измерений

3.3. Результаты экспериментального исследования пульсаций давления турбулентного пограничного слоя

3.4. Определение смещенного показателя Херста экспериментальных рядов пульсаций давления турбулентного потока с управляющими воздействиями

3.5. Обобщение результатов экспериментального исследования зависимости сопротивления трения от смещенного показателя Херста пульсаций давления на исследуемом отрезке трубы с перфорациями и демпфирующими полостями

3.6. Выводы 126

ГЛАВА 4. Численное исследование структуры турбулентного потока, трения и теплоотдачи на основе анализа пульсаций давления

4.1. Моделирование турбулентного переноса в пограничном слое на основе анализа пульсаций давления потока

4.2. Описание программы для исследования процессов тепломассообмена в турбулентном пограничном слое при наличии управляющих воздействий

4.3. Анализ результатов численного исследования турбулентного потока с использованием математической модели, основанной на анализе пульсаций давления потока

4.4. Практическое использование полученных результатов проведенных исследований

4.5. Выводы 150

Заключение. Основные результаты и выводы 150

Библиографический список 153

• Моделирование реакции турбулентного пограничного слоя
• Описание возможных способов решения системы дифференциальных уравнений пограничного слоя при наличии управляющих воздействий методом конечных разностей
• Методика проведения эксперимента и обработки опытных данных. Анализ погрешности измерений
• Описание программы для исследования процессов тепломассообмена в турбулентном пограничном слое при наличии управляющих воздействий

Введение к работе

Актуальность темы. Прогнозирование характеристик турбулентного потока и отыскание оптимальных технических решений по управлению турбулентностью¹' ² с целью снижения сопротивления трения, снижения или увеличения теплоотдачи является основой для создания широкого класса новых более совершенных энергетических и транспортных устройств, установок, систем, а также экономии ресурсов.

Отсутствие единых подходов, в том числе единых математических моделей³'⁴, для исследования турбулентного переноса и соответствующих методов расчета процессов теплообмена и трения, вне зависимости от природы воздействий на турбулентный поток, сдерживает развитие способов управления турбулентностью. Универсализация моделей и методов исследования турбулентности, базирующаяся на анализе характеристик пульсаций давления⁵, позволит обеспечить поиск управляющих воздействий, согласованных с характеристиками потока, посредством априорной измерительной информации и их расчет-но-теоретического анализа.

Тема диссертации, посвященная математическому моделированию, а также экспериментальному и численному исследованию процессов турбулентного переноса, течения, сопротивления трения и теплоотдачи потока на основе анализа пульсаций давления, является актуальной.

Объектом исследования являются процессы турбулентного переноса, течение, сопротивление трения и теплоотдача потока газа при наличии управляющих воздействий демпфирующими полостями, математические модели, описывающие эти процессы.

Предметом исследования является зависимость течения, сопротивления трения и теплоотдачи потока от параметров пульсаций давления потока при наличии управляющих воздействий, разработка программного комплекса для расчета параметров турбулентного потока на основе анализа пульсаций давления.

Цель работы. Разработка математического и программного обеспечения для исследования, прогнозирования и оптимизации обменных процессов, сопротивления трения и теплоотдачи турбулентных потоков на основе результатов анализа пульсаций давления.

¹ Давлетшин И.А. Интенсификация теплоотдачи в дискретно-шероховатом канале на пульсирующих
режимах течения теплоносителя / И.А. Давлетшин, А.К. Кирилин, Н.И. Михеев // Труды Академэнерго. - 2012.
-№3.-С. 7-16.

² Щукин А.В. Теплоотдача на дискретно-шероховатой выпуклой поверхности / А.В. Щукин, И.Я. Ха-
саншин, А.В. Ильинков, В.В. Такмовцев // Труды Академэнерго. - 2014. - № 4. - С. 30-38.

³ Лаптев А.Г. Модели трения в турбулентных потоках при обтекании различных поверхностей / А.Г.
Лаптев, T.M. Фарахов // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16. № 23. - С. 82-86.

⁴ Зарипов Д.И. Метод моделирования течения жидкости в разветвленных каналах / Д.И. Зарипов, Н.И.
Михеев, Н.С. Душин // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. - 2013. № 1. - С. 23-27.

⁵ Гольцман А.Е. Исследование структуры потока в гладком канале на пульсирующих режимах течения
с помощью piv-измерений / А.Е. Гольцман, И.А. Давлетшин, А.А. Паерелий // Труды Академэнерго. 2012. № 1.
С. 7-13.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Разработать математическую модель турбулентности в пограничном слое потока, основанную на анализе характеристик пульсаций давления.

2. Создать экспериментальную установку и получить новые данные по закономерностям изменения характеристик пульсаций давления турбулентного потока в условиях управляющих воздействий демпфирующими полостями.

3. Разработать методику, алгоритм и процедуру численного моделирования и исследования турбулентного потока, сопротивления трения и теплоотдачи с использованием модели турбулентности, включающей параметры пульсаций давления.

4. Создать проблемно-ориентированный программно-информационный комплекс для моделирования и комплексного исследования турбулентности, сопротивления трения и теплоотдачи потоков.

5. С использованием разработанного программного продукта выполнить численное исследование турбулентного потока, в зависимости от характеристик пульсаций давления, при наличии демпфирующих полостей в качестве управляющего воздействия, обобщить полученные результаты, и дать рекомендации по их использованию на практике.

Методы исследования. Экспериментальный и расчетно-теоретический методы, базирующиеся на фундаментальных основах гидрогазодинамики, тепломассообмена, численных методах решения систем нелинейных дифференциальных уравнений.

Научная новизна. Научная новизна заключается в результатах экспериментального исследования пульсаций давления турбулентных потоков в условиях воздействия демпфирующими полостями; в создании математической модели турбулентного переноса в пограничном слое с учетом параметров пульсаций давления потока около перфорированной поверхности с демпфирующими полостями; в реализации алгоритма и процедур для комплексного исследования обменных процессов, сопротивления трения и теплоотдачи турбулентных потоков на основе анализа пульсаций давления, модифицированным численным методом в оригинальном проблемно-ориентированном программно-информационном комплексе (свидетельство о регистрации № 2014616990); в разработке новых технических решений по эффективным конструкциям лопатки турбины с комбинированным охлаждением (патент РФ на полезную модель № 140293), ветроколеса (патент РФ на полезную модель № 145979), солнечного воздушного коллектора (патент РФ на полезную модель № 146384), крыла самолета (патент РФ на полезную модель № 150946) и артиллерийского снаряда (патент РФ на полезную модель № 146963).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель турбулентного переноса в пограничном слое с учетом характеристик пульсаций давления.

2. Методика и алгоритм численного расчета характеристик турбулентного течения потока при наличии управляющих воздействий демпфирующими полостями

3. Программное обеспечение для комплексного исследования сопротивления трения и теплоотдачи турбулентных потоков в перфорированной трубе с демпфирующими полостями с использованием параметров пульсаций давления.

4. Экспериментальная установка для исследования пульсаций давления турбулентного потока воздуха и результаты экспериментального исследования пульсаций давления потока в перфорированной трубе с демпфирующими полостями.

5. Новые технические решения по использованию демпфирующих полостей в конструкциях лопатки турбины, ветроколеса, солнечного воздушного коллектора, крыла самолета и артиллерийского снаряда.

Практическая значимость работы. 1. Разработано математическое и программное обеспечение для комплексного исследования течения, сопротивления трения и теплоотдачи турбулентного потока с применением параметров пульсаций давления, которое может быть использовано для анализа турбулентных потоков, воздействий на пристенную турбулентность, а также разработки и создания эффективных способов управления турбулентностью.

6. Результаты обобщения исследований турбулентности в виде уравнений на основе параметров пульсаций давления потока, позволяющих проводить инженерные расчеты сопротивления трения и теплоотдачи турбулентного потока при наличии воздействий на поток.

7. Предложены новые технические решения для лопатки турбины, ветроколеса, солнечного коллектора, артиллерийского снаряда и крыла самолета.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов экспериментального исследования обеспечена использованием стандартных методов и аттестованных измерительных приборов, выполнением анализа погрешности измерений и тестовыми экспериментами. Достоверность результатов численного эксперимента обеспечена использованием адекватной, подтвержденной экспериментальными данными, математической модели турбулентности, использованием проверенной разностной схемы, анализом ее устойчивости и сходимости, выбором шагов сетки, обеспечивающих требуемую точность, и подтверждена расчетами тестовых задач и экспериментальными данными.

Реализация результатов работы. Отдельные разделы диссертации выполнены в рамках государственного задания № 2014/232 Минобрнауки России «Разработка математических методов исследования динамики и устойчивости деформируемых элементов конструкций, установок, приборов, устройств при аэрогидродинамическом, тепловом и ударном воздействиях», при поддержке гранта РФФИ № 15-01-08599 «Разработка математических методов исследования динамики и устойчивости механических систем с распределенными параметрами при аэрогидродинамическом и ударном воздействиях» и гранта Пре-

зидента РФ по проекту № МД-1576.2014.8. «Моделирование, исследование и разработка методов повышения эффективности энергомашин с дисперсным рабочим телом».

Разработанный программно-информационный комплекс внедрен в практику хозяйственной деятельности ООО «Научно-Технический Центр «Пром-ТехЭнерго». Разработанная экспериментальная установка для исследования пульсаций давления турбулентного потока и программно-информационный комплекс внедрены в учебный процесс подготовки студентов направления 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» УлГТУ (имеются акты о внедрении).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ) в 2013 - 2014 гг.; на XIX Школе-семинаре академика РАН А.И. Леонтьева (Орехово-Зуево, май 2013); VIII Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (Украина, Киев, октябрь 2013); Школе-семинаре академика В.Е. Алемасова (Казань, сентябрь 2014 г.); VI Российской национальной конференции по тепломассообмену (Москва, октябрь 2014 г.); научно-технических семинарах кафедр «Теплоэнергетика» и «Высшая математика» УлГТУ в 2013, 2014, 2015 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, из них 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 5 патентов РФ на полезную модель, свидетельство о регистрации программного продукта.

Личный вклад автора. Все работы по теме диссертации выполнены автором лично или при его непосредственном участии: постановка задач, проведение экспериментального исследования, обобщение результатов, разработка модели и методики численного исследования, написание программного комплекса, проведение расчетов, формулировка выводов и заключения по работе.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (211 наименований) и приложений (37 страниц), включает 217 страниц текста, 42 рисунка и 1 таблицу.

Моделирование реакции турбулентного пограничного слоя

Генерация вихрей может осуществляются с помощью ребер различной формы, каверн, канавок, резьбы, выступов дискретной шероховатости, а также различных пластин, проволоки, лент, колец, спиралей и т.д. Такие устройства позволяют снижать сопротивление трения и увеличивать теплоотдачу до 40% [2, 4, 10, 25, 31, 33, 38, 40, 41, 64, 89, 92, 121, 123, 146, 148, 160, 174, 181 - 182, 186]. Для интенсификации теплообмена часто применяется закрутка потока [4, 37, 38]. М.К. Антипин, С.Э Тарасевич, В.А. Филин и В.К. Щукин [4] проводили исследование гидравлического сопротивления потока в коротких каналах с закруткой посредством скрученной ленты. Полученные данные показывают сокращение участка гидравлической стабилизации. Однако, начиная с некоторого значения параметра закрутки, гидравлическое сопротивление резко увеличивается. Данный эффект также отмечен в работе Г. А. Дрейцера [38]. Это увеличивает затраты энергии на прокачку теплоносителя и все преимущества такого метода могут быть потеряны. Б.В. Дзюбенко проводил исследования теплообмена в пучках витых стержней при турбулентных режимах и получил значительную разницу между коэффициентами турбулентного переноса в нестационарных и квазистационарных условиях, обусловленную изменением структуры потока во времени [37].

В работах Г.В. Енютина, Ю.А. Дашкова, Н.В. Самойловой, В.И. Коробова, В.В. Бабенко, Л.Ф. Козлова [41, 89] показано, что продольное оребрение позволяет существенно снижать сопротивление трения - до 40%. Отмечается, что механизм влияния продольного оребрения состоит в упорядочении течение вблизи стенки и ослаблении поперечного переноса импульса в вязком подслое. Это один из возможных взглядов на реакцию пограничного слоя на продольное оребрение.

В.К. Кузенков, В.К. Левицкий, Е.У. Репик, Ю.П. Соседко в своей работе [92] описывают эффективность таких разрушителей вихревых структур, какими являются риблеты и пластины. Пластины последовательно устанавливают в пограничном слое параллельно движению потока. Эффект зависит от толщины пластины и расстояния, на котором она расположена от стенки. В соответствии с теорией течение в вязком подслое турбулентного пограничного слоя нестационарное и включает участки ламинарного подслоя определенной длины. Эти участки сначала развиваются, потом разрушаются, что нашло экспериментальное подтверждение в работе [196]. Установка пластин позволяет увеличить период развития подслоя, что в свою очередь способствует увеличению длины элементарных ламинарных участков, а это приведет к росту средней толщины вязкого подслоя и уменьшению турбулентного трения. Работа Н.А. Шахлиной, посвящена экспериментальному исследованию особенностей теплообмена в трубах с кольцевыми турбулизаторами и скрученными лентами [174]. Кольцевые турбулизаторы способствуют увеличению теплоотдачи в трубах, при этом рост теплоотдачи превышает увеличение сопротивления, которое обычно бывает в устройствах такого вида. Они эффективнее проволоки, ленты или шнековых вставок, расположенных по всей длине трубы, так как тогда гидравлическое сопротивление растет быстрее теплоотдачи, что крайне нежелательно, и в итоге это сильно ограничивает их применение. Таким образом, возникает необходимость расчетной или экспериментальной модели, позволяющей предсказать целесообразность их применения [38].

Витые профилированные трубы предлагают использовать для интенсификации теплообмена Ю.Г. Назмеев, И.А. Конахина, Е.К. Вачагина, М.Р. Бакаев, Р.Н. Валиев в своей работе [121]. При этом закрутка потока должна происходить в противоположном направлении в каждой ячейке трубного пучка, что разрушит вязкий подслой и вызовет отрыв потока от стенки. Тогда интенсификация теплообмена увеличится в два раза по сравнению с гладкой поверхностью при числах Рейнольдса 1,2-104 и выше. Выявлен диапазон параметров, в котором пучок витых труб более эффективен, чем пучок оребренных труб.

Применение дискретной шероховатости приводит к турбулизации потока непосредственно вблизи от стенки и существенно увеличивает теплоотдачу, хотя так же увеличивает и сопротивление трения. Турбулизация создается точечной шероховатостью, которая представляет собой отдельные элементы на поверхности. Это могут быть выступы или углубления, которые могут отличаться по высоте, диаметру, ширине, шагу, форме и другим характеристикам: количеству на единицу площади, углу наклона и т.д. Стоит особо отметить технологичность данного способа, применяемого еще с 30-х годов прошлого века. Интерес к поверхностям с кавернами, сферическими и полусферическими лунками, выемками вызван значительной интенсификацией теплообмена без существенного увеличения сопротивления. Это отмечается во многих работах [9, 26, 33, 37, 38, 39, 40, 44, 51, 52, 64, 83, 123 - 124, 141, 146, 160, 178, 189], в том числе работах И.А. Давлетшина, Н.И. Михеева, А.К. Кирилина [33], А.В. Щукина, А.В. Каурова, А.В. Ильинкова, И.Я. Хасаншина, В.В. Такмовцева [44, 178], Г.А. Дрейцера [38, 39, 40], Г.И. Кикнадзе [52], В.И. Терехова, Н.И. Ярыгиной, А.Ю. Дьяченко [160].

В работе Г.А. Дрейцера [39] показано, что увеличение турбулентного теплообмена вблизи от стенки сильнее действует на коэффициент теплоотдачи, чем турбулизация ядра потока, при которой растет сопротивление.

В работе Г.А. Дрейцера, Э. К. Калинина и С.А. Ярхо [40] была впервые выявлена зависимость интенсивности теплоотдачи от геометрических размеров элементов дискретной шероховатости и расстояния между ними. Соотношение параметров влияет на величину эффекта интенсивности теплоотдачи, и при определенных соотношениях параметров рост теплоотдачи превышает рост гидравлического сопротивления.

В статье А.В. Ильинкова, А.В. Щукина, А.В. Каурова [44] представлены результаты исследования теплоотдачи в полусферических выемках, обтекаемых пульсирующим потоком. Отмечается интенсификация теплоотдачи. Работа А.В. Каурова [51], также посвящена экспериментальному и численному исследованию теплоотдачи в полусферических выемках при условии наложения на поток пульсаций. Выявлено, что в пульсирующем потоке теплоотдача существенно возрастает по сравнению со стационарным потоком.

Такмовцева [178] представлены результаты экспериментального исследования теплоотдачи на выпуклой поверхности с полуцилиндрическими выступами. Отмечается интенсификация теплоотдачи при увеличении относительной кривизны поверхности.

Японские исследователи Риоиши и Сатори провели сравнение двух видов шероховатости [189]. Частицы либо закреплялись на поверхности, либо они могли перемещаться на поверхности. Турбулентное трение с закрепленными частицами было выше, чем в случае со свободно перемещающимися частицами. Распределение рейнольдсовых напряжений и интенсивность турбулентности не зависят от типа и высоты шероховатости поверхности. Аналогичные выводы можно увидеть в работе М.Я. Беленького, М.А. Готовского, Б.М. Леках, и др. [9].

Ю.Ф. Гортышев, Р.Д. Амирханов, И.Д. Попов, А.Р. Абдрахманов, В.В. Олимпиев пришли к выводу, что геометрические параметры шероховатости канала H/d и число Рейнольдса Re влияют на теплоотдачу а и гидравлическое сопротивление С/ [25, 26].

Описание возможных способов решения системы дифференциальных уравнений пограничного слоя при наличии управляющих воздействий методом конечных разностей

Что касается некоторых математических аспектов, представленных в 1 главе, в параграфе «Моделирование реакции турбулентного пограничного слоя», то первый подход предлагает использовать как можно более общие дифференциальные уравнения в частных производных, которые замыкаются эмпирическими и полуэмпирическими теориями.

Другой подход - использовать менее общие уравнения, тогда интересующие параметры определяются непосредственно путем решения уравнений. Но он касается частных случаев и огромного объема экспериментальных данных. Здесь также часто используются общие дифференциальные уравнения пограничного слоя [98] умноженные на весовые функции с последующим их интегрированием поперек сечения. Это не требует задания профиля, поэтому обращение матриц не требуется. Вместо этого уравнения преобразуются так, чтобы такие интегральные характеристики, как толщина потери импульса стали бы зависимыми переменными.

Такие методы широко распространены. Различия между ними связаны с весовыми функциями и эмпирическими зависимостями, выражающими вспомогательные соотношения.

Трукенбродт [114] использовал интегральные уравнения движения и кинетической энергии совместно с алгебраическим соотношением между числом Рейнольдса по толщине потери импульса и диссипативным интегралом.

Эскуднер и Сполдинг [29] брали те же уравнения, но вспомогательные зависимости использовали другие.

Хэд [127] использовал интегральные уравнения движения и неразрывности вместе с эмпирической зависимостью, связывающей формальный параметр со степенью увлечения жидкости из ядра потока в пограничный слой.

Существуют и промежуточные подходы, так как имеются методы, позволяющие вычислять, например, формпараметр из обыкновенного дифференциального уравнения [98, 104] эмпирическим и интуитивно-теоретическим путем, а не интегрировать дифференциальное уравнение в частных производных.

Исследователи С.А. Исаев, А.И. Леонтьев, А.Е. Усачев тоже применяли данный метод [114]. Этот же подход обозначен в работе И.А. Белова, В.А. Коробкова, С.А. Исаева [11].

Ряд исследователей используют в той или иной степени другие подходы, отличающиеся от описанных выше. В любом случае каждый исследователь стремится максимально приблизить метод расчета к реальным процессам.

P.P. Акберов и В.И. Понявин используют для решения системы ДУ МКЭ [1]. В работе Ю. Хейнрика, Р. Маршалла и других исследователей тоже используется МКЭ [171 - 172]. МКЭ позволяет рассчитывать более сложные в геометрическом плане области. Расчет вязкого подслоя около обтекаемой поверхности проводится с помощью введения специальных демпфирующих функций. А.П. Скибин и другие применяют МКЭ для решения нестационарных задач [155]. Они используют 3-х узловые элементы, считая что треугольники легче аппроксимируют геометрически сложные участки; при равном количестве узлов такие сетки способны лучше распределять узлы в расчетной области; элементы более высоких порядков требуют больше машинного времени; 3-х узловые элементы иногда позволяют определять интегралы даже аналитическим методом.

Таким образом, приведенный анализ показывает, что каждый из рассмотренных методов обладает своими достоинствами и недостатками. Для решения поставленных в 1 главе задач необходимо выбрать наиболее простой и удобный метод. При всей своей простоте и экономичности он должен выдавать достоверные результаты, совпадающие с экспериментальными данными в пределах установленной погрешности.

Следует отметить, что в настоящее время существует множество прикладных пакетов вычислительной гидрогазодинамики (CFD). Сегодня в литературе часто даже не приводится система исходных ДУ или модель, а имеется ссылка на прикладной пакет CFD [104, 114]. Такие программы широко используются как в инженерных, так и в научных целях. Рассмотрим более подробно одну из них, например пакет ANSYS 5.5, модуль для расчета гидрогазодинамики FLOTRAN CD.

Программа ANSYS использует метод конечных элементов для моделирования динамики потоков газа и жидкости. Это дает возможность применять вычислительные методы гидродинамики для определения параметров потока в пределах данного устройства или установки. Решаемые задачи могут быть как стационарными, так и нестационарными, поток среды может быть многокомпонентным и включать до шести нереагирующих между собой компонент.

Графический мониторинг программы ANSYS/FLOTRAN позволяет отслеживать результаты каждого этапа. Программа ANSYS/Multiphysics решает как двумерные так и трехмерные задачи за счет включения конечных элементов различных типов. Гидродинамический анализ используется для определения таких параметров потока, как давления, температуры, скорости в виде полей распределения. Среда - ньютоновская или неньютоновская жидкость.

Составляющие давления и скорости вычисляются с использованием основных законов сохранения: массы, количества движения и энергии. Для моделирования турбулентного движения имеется возможность использовать описание явления с помощью уравнений неразрывности и импульса. Программа позволяет выполнять гидродинамический анализ для: ламинарного течения; турбулентного течения с выбором модели турбулентности; теплообмена в потоке движущейся среды.

Может быть решена связанная задача - теплопередача. Здесь уравнение энергии решается для некоторой области, включающей движущуюся жидкую среду и твердую поверхность. Считается, при расчете свободной конвекции, что побудителями движения среды выступает разность давлений, возникающая из-за изменения плотности по высоте, обусловленная изменением температуры. При расчете вынужденной конвекции, побудителями движения выступают силы, действующие на поток извне. Теплопроводность осуществляется в вязком подслое у обтекаемой поверхности, далее энергия отводится течением жидкости. Для теплового расчета граничные условия определяются начальным полем температур, конвективным коэффициентом теплоотдачи и лучистым коэффициентом теплоотдачи.

Программа позволяет также рассчитывать сжимаемый поток, характерный для сверхзвукового течения газов. Анализ дозвуковых, околозвуковых и сверхзвуковых течений можно выполнять с учетом или без учета теплообмена.

Методика проведения эксперимента и обработки опытных данных. Анализ погрешности измерений

Для исследования пульсаций давления турбулентного потока при наличии управляющих воздействий была разработана экспериментальная установка. В качестве управляющих воздействий использовались демпфирующие полости. На рис. 3.1 показана схема экспериментальной установки, а на рис. 3.2 и 3.3. приводится общий вид и вид отдельных элементов установки.

В качестве исследуемого отрезка 2 установки (см. рис. 3.1.) используется прямая тонкостенная цилиндрическая труба с толщиной стенки 1,1 мм, внутренним диаметром 32 мм и длиной 1 м. В стенке трубы выполнены перфорации 10 диаметром 0,8 мм, через которые происходит взаимодействие движущегося в трубе потока с демпфирующими полостями 9.

Перфорации не должны оказывать заметного влияния на поток сами по себе при отсутствии полостей, поэтому диаметр перфораций обусловлен требованиями минимального воздействия на поток. В то же время размер перфораций должен быть достаточным для взаимодействия потока с демпфирующими полостями при их наличии. Всего перфорационных отверстий, расположенных по всей поверхности трубы 1800. Они расположены группами по пять перфораций. В центре группы находится одна перфорация, четыре других расположены равноудаленно от центра.

Плотно, с натягом, надеваемые на трубу накладные цилиндры 8 (рис. З.1., 3.3) имеют сквозные круглые отверстия в стенках диаметром 12,8 мм. В собранном виде перфорированная труба с надетыми на нее накладными цилиндрами и заглушёнными круглыми отверстиями представляет собой трубу с демпфирующими полостями. На каждую группу из 5 перфорационных отверстий трубы приходится 1 демпфирующая полость накладных цилиндров, а общее количество демпфирующих полостей на экспериментальном участке трубы равно 360. Полости также распределены равномерно по поверхности трубы. Диаметр каждой полости - 12,8 мм, ее высота - 10 мм (толщина стенки накладных цилиндров).

Установка для экспериментального исследования и ее основные элементы: 1 конфузор; 2 - исследуемый отрезок трубы; 3 - датчик давления; 4 - аналого-цифровой преобразователь; 5 - подключение к компьютеру; 6 - вентилятор; 7 - настроечный вентиль; 8 - накладные цилиндры с демпфирующими полостями; 9 - полости;

За счет перемещения трубы и накладных цилиндров относительно оси обеспечивается изменение числа перфораций, соединяющих проточную часть трубы с каждой демпфирующей полостью.

Воздух забирается из внешней среды и подается через конфузор 1 в исследуемый отрезок трубы 2. Приемники статического давления диаметром 0,8 мм, находятся в различных сечениях на поверхности исследуемого отрезка трубы.

Конфузор необходим для безударного входа воздуха в трубу, что позволяет получить равномерный профиль скорости на входе в экспериментальный участок. Это обеспечивается специальной формой проточной части входного устройства.

Для измерения давления, скорости, температуры воздуха использовался универсальный прибор Testo 435. Измеряемыми параметрами прибора являются: скорость движения воздуха, относительная влажность, температура воздуха, абсолютное давление, дифференциальное давление, тяга, температура поверхности, а также определение объемного расхода воздуха. Измерение скорости воздуха осуществляется с помощью трубок Пито. Testo 435 осуществляет документирование результатов измерений на ПК каждые 2 секунды, с помощью удобного ПО, либо на месте замера через портативный ИК-принтер Testo.

Измеренные данные (одновременно несколько параметров) в цифровом виде отображаются на дисплее. Технические характеристики прибора представлены в табл.3.1.

Система датчик давления 3 - преобразователь 4 позволяет измерять пульсации давления с частотой дискретизации до 40 кГц. В качестве датчика пульсаций давления использовался микрофон.

Прибор Testo 435 не позволяет измерять пульсации давления, так как его частота дискретизации значительно ниже турбулентных пульсаций давления в пограничном слое, но он позволяет замерять размах таких пульсаций, поэтому с его помощью можно тарировать микрофон, позволяющий измерять пульсации давления. Тарировка производилась следующим образом: на Testo 435 и на микрофон подавались тестовые пульсации давления. В течение относительно длительного времени на персональном компьютере документировались результаты измерений. Таким образом, определялся размах пульсаций в обоих случаях для разных частот. По этим результатам был создан математический фильтр для корректировки измерений, произведенных с помощью микрофона. В процессе тарировки удалось добиться, чтобы погрешность измерения пульсаций давления с помощью микрофона не превышала погрешность измерения дифференциального давления Testo 435.

Аналого-цифровой преобразователь, в качестве которого использовалась звуковая плата компьютера, позволяет получить результаты измерения пульсаций давления в полости в виде файла с расширением .wav.

Описание программы для исследования процессов тепломассообмена в турбулентном пограничном слое при наличии управляющих воздействий

Энергетика на нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии (НИВИЭ) является одной из перспективных областей энергетики России. Ветроэнергетика в свою очередь является одним из приоритетных направлений развития НИВИЭ. Так как ветер обладает небольшой плотностью (например, по сравнению с водой), то мощность, снимаемая с вала ветротурбины, будет зависеть от скорости ветрового потока, от диаметра ветроколеса и от аэродинамических характеристик лопастей, особенно для ветроустановок с горизонтальной осью.

Скорость ветрового потока, в свою очередь зависит от географических условий и высоты установки ветротурбины. А так как увеличивать высоту установки и диаметр бесконечно невозможно, то остается едва ли не единственная возможность увеличения мощности ветротурбины улучшение ее аэродинамических характеристик. Улучшить аэродинамические характеристики ветротурбины возможно за счет снижения лобового сопротивления, чего можно достигнуть с помощью применения поверхности с перфорациями и полостями. Набегающий ветровой поток взаимодействует с полостями и лобовое сопротивление снижается за счет погашения пульсаций. Данный эффективный способ привлекателен тем, что снижение энергии турбулентных пульсаций подтверждается экспериментальными исследованиями [74 - 78, 80 - 82]. На рис 4.16 представлено ветроколесо оригинальной конструкции.

Для улучшения характеристик самолета желательным является снижение сопротивления трения, которое возникает при его движении в воздушной среде, особенно со сверхзвуковой скоростью. Все возможности аэродинамики уже исчерпаны: форма корпуса, крыльев и др. Поэтому внимание исследователей теперь сосредоточилось на более тонких эффектах: применяются либо покрытия, либо меняется конструкция самой поверхности крыла самолета, что имеет место в предлагаемой конструкции.

Техническим результатом применения предлагаемой конструкции является снижение сопротивления трения крыла самолета. Увеличение подъемной силы крыла происходит с помощью отверстий, расположенных в несколько рядов, соединенных каналом с компрессором или вентилятором газотурбинного двигателя и образующих входное сечение воздухозаборника указанного двигателя. На поверхности крыла летательного аппарата также по всей площади предлагается сделать глухие цилиндрические полости. Сверху полости закрываются пластинкой с перфорационными отверстиями. Глухие цилиндрические полости сообщаются через перфорационные отверстия в пластинке с потоком, обтекающим поверхность крыла самолета и гасят турбулентные пульсации. В результате этого затягивается переход ламинарного режима течения в турбулентный в пограничном слое потока на всей поверхности крыла самолета, что приводит к ламинаризации течения и снижению сопротивления трения [14, 16, 74 - 78, 80 - 82, 169, 175, 167]. Это позволяет снизить расход топлива самолета.

На рис. 4.17 представлена схема поверхности крыла самолета. Крыло самолета содержит глухие цилиндрические полости 1 на поверхности крыла по всей площади поверхности, сообщающиеся с перфорационными отверстиями 2 в пластинке 3, отверстия 4, расположенные в несколько рядов, которые соединены каналом 5 с компрессором или вентилятором газотурбинного двигателя и образующие входное сечение воздухозаборника указанного двигателя. Через отверстия 4 часть воздуха отбирается с поверхности крыла и по каналу 5 этот воздух подается к компрессору или вентилятору газотурбинного двигателя.

Перфорационные отверстия 2 в пластинке 3 расположены со стороны потока. При помощи глухих цилиндрических полостей 1, сообщающихся через перфорационные отверстия 2 в пластинке 3 с потоком воздуха, обтекающего крыло самолета, достигается эффект, способствующий гашению турбулентных пульсаций в пограничном слое потока. Поток сообщается с глухой цилиндрической полостью 1 через перфорационное отверстие 2 в пластинке 3, при этом избыточное давление турбулентного моля стравливается в полость, что и способствует гашению турбулентных пульсаций. Таким образом, пограничный слой около поверхности ламинаризируется и сопротивление трения снижается.

На предложенную конструкцию крыла самолета получен патент РФ на полезную модель № 150946 [139].

Для увеличения дальности полета артиллерийского снаряда необходимо снижение сопротивления трения обтекающего потока. Экспериментально подтвержденное снижение сопротивления трения имеет место при наличии такого пассивного способа воздействия на турбулентный пограничный слой как демпфирующие полости. Предпринятое автором экспериментальное исследование турбулентных пульсаций давления позволяет утверждать, то пульсации подавляются полостями в диапазоне частот от 350 Гц вплоть до 1700 Гц [74 - 82, 168, 169].

На основе проведенных исследований предложена новая конструкция артиллерийского снаряда. На рис. 4.18 представлена схема предлагаемой конструкции артиллерийского снаряда.

Ведущий поясок и направляющее кольцо входят в нарезы канала ствола орудия при движении снаряда по каналу ствола орудия и способствуют стабилизации полета снаряда. Поток воздуха, обтекающий поверхность снаряда при полете, сообщается с глухими цилиндрическими полостями на поверхности головки снаряда через перфорации в перфорированной пластине, при этом избыточное давление турбулентного моля стравливается в полость, что и способствует ослаблению турбулентных пульсаций в пограничном слое обтекающего поверхность снаряда потока воздуха. Таким образом, течение воздушного потока около снаряда ламинаризируется, сопротивление трения снижается, а дальность полета снаряда увеличивается.