Введение к работе
Актуальность темы. Пленочное охлаждение поверхности - способ тепловой защиты, при котором охлаждающее вещество (газообразное или жидкое) вдувается в высокотемпературный поток газа через щель или проницаемый (перфорированный или пористый) участок поверхности и охлаждает не только область вдува охладителя, но и расположенный за ней участок поверхности за счет создания около него тонкого слоя относительно холодной завесы (плёнки).
В подавляющем большинстве работ по исследованию и расчету эффективности пленочного охлаждения влияние факторов, обусловленных аэродинамическим и тепловым воздействием конденсированных частиц в дисперсном потоке, не рассматривается. В отдельных работах влияние указанных факторов хотя и анализируется, но в основном применительно к дозвуковому течению. В то же время особенности развития завесы в высокоскоростных потоках могут оказаться столь существенными, что приводят к парадоксальным на первый взгляд явлениям. Так, академик А.И. Леонтьев теоретически предсказал и подтвердил экспериментально парадокс, проявляющийся в том, что на адиабатном участке поверхности, обтекаемой сверхзвуковым потоком двухкомпонентного газа, достижима температура, меньшая температуры охладителя на проницаемом участке формирования завесы.
Целенаправленный поиск условий, в которых реализуются подобные парадоксы и содержатся резервы совершенствования технологии пленочного охлаждения, сдерживается отсутствием теории и математических моделей, обеспечивающих достоверное и точное прогнозирование эффективности пленочного охлаждения с учетом отмеченных особенностей. Поэтому тема работы, направленная на математическое моделирование и численный анализ эффективности пленочного охлаждения поверхности, обтекаемой высокоскоростным потоком, с воздействиями, является актуальной.
Цель работы - повышение эффективности пленочного охлаждения поверхностей элементов энергетических установок, обтекаемых высокоскоростным потоком с воздействиями, на основе математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Эта цель достигается решением следующих задач:
Разработка математической модели пленочного охлаждения поверхности, обтекаемой высокоскоростным потоком, и методики численного исследования для прогнозирования его эффективности.
Реализация разработок по п. 1 в проблемно-ориентированном программном комплексе для исследования на основе вычислительного эксперимента эффективности пленочного охлаждения поверхности, обтекаемой высокоскоростным потоком с воздействиями.
3. Исследование влияния на коэффициент восстановления темпера
туры высокоскоростного потока и эффективность пленочного охлаждения
факторов, характерных для элементов энергетических установок:
числа Маха;
теплового и аэродинамического воздействий частиц конденсированной фазы при различном характере относительного движения фаз (наличия и отсутствия инерционного выпадения на стенку);
продольного градиента давления.
4. Исследование возможности и условий реализации парадокса
А.И. Леонтьева при пленочном охлаждении поверхности, обтекаемой вы
сокоскоростным дисперсным потоком, за счет инерционного выпадения
частиц на стенку.
Методы исследования. Реализация цели и решение поставленных задач обеспечены применением современных методов исследований, базирующихся на основных положениях теории пограничного слоя, гидрогазодинамики, дифференциального исчисления, математического моделирования и численных методов.
Научная новизна:
1. Разработана математическая модель и методика численного иссле
дования для анализа эффективности пленочного охлаждения поверхности,
обтекаемой высокоскоростным потоком, реализованные в виде оригиналь
ного проблемно-ориентированного программного продукта.
На основе численного исследования выявлены закономерности влияния теплового и аэродинамического воздействий частиц конденсированной фазы, числа Маха и отрицательного градиента давления на коэффициент восстановления температуры и эффективность пленочного охлаждения в высокоскоростном потоке с воздействиями. Получены зависимости для расчета коэффициента восстановления температуры на поверхности, обтекаемой высокоскоростным турбулентным потоком в элементах энергетических установок.
Подтверждена возможность и определены условия реализации парадокса А.И. Леонтьева при пленочном охлаждении поверхности, обтекаемой высокоскоростным дисперсным потоком.
Практическую ценность представляют:
Разработанный проблемно-ориентированный программный продукт, обеспечивающий возможность исследования путем вычислительного эксперимента эффективности пленочного охлаждения поверхности элементов энергетических установок, обтекаемых высокоскоростными потоками с воздействиями (внедрен в учебный процесс подготовки студентов по специальности 14010465 «Промышленная теплоэнергетика» и бакалавров по направлению 14010062 «Теплоэнергетика и теплотехника»).
Полученные в результате обобщения данных вычислительного эксперимента зависимости для расчета коэффициента восстановления температуры поверхности, обтекаемой высокоскоростным потоком.
Реализация результатов работы:
1. Отдельные исследования работы выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ по проектам № 05-08- 18278-а «Коэффициент восстановления температуры и теплоотдача высокоскоростных газовых потоков с воздействиями» и № 11-08-16010-моб_з_рос «Участие в XVIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева») и Казанского научного центра Российской академии наук (именной грант по проекту «Коэффициент восстановления температуры высокоскоростного турбулентного газового потока с воздействиями»).
Оригинальное устройство для сверхзвуковой температурной стратификации потока на дисперсном рабочем теле. Предложенное на основе выполненного исследования техническое решение, защищенное патентом, удостоено Серебряной медали и специального приза на Международном Салоне инноваций в Женеве (2009), а также Серебряной медали на IX Московском Международном салоне инноваций и инвестиций (2009).
Разработанные в рамках диссертационной работы математическая модель и результаты исследования движения дисперсного потока использованы на ЗАО «Булыжев. Промышленные экосистемы» при проектировании новых образцов высокопроизводительной техники очистки смазоч-но-охлаждающих жидкостей от механических примесей.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением адекватной (подтвержденной экспериментальными данными) математической модели высокоскоростных дисперсных потоков, апробированной методики расчета, анализом погрешности вычислений.
На защиту выносятся:
Математическая модель и методика численного исследования эффективности пленочного охлаждения поверхности, обтекаемой высокоскоростным дисперсным потоком.
Результаты численного исследования коэффициента восстановления температуры и эффективности пленочного охлаждения поверхности, обтекаемой высокоскоростным потоком с воздействиями.
Результаты численного исследования возможности и условий реализации парадокса А.И. Леонтьева при пленочном охлаждении поверхности, обтекаемой высокоскоростным дисперсным потоком в условиях инерционного выпадения частиц на стенку.
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 2006 - 2011 гг.); XVI и XVIII Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Санкт-Петербург, 2007 г.; Звенигород, 2011 г.); IV Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006 г.); V Школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, 2006 г.), научно-технических семина-
pax кафедры «Теплоэнергетика» Ульяновского государственного технического университета 2006 - 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях по списку ВАК, 1 патент на изобретение и 2 программных кода.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (120 наименований) и приложений, включает 129 страниц машинописного текста, 47 рисунков и 2 таблицы.
