Введение к работе
Актуальность исследования. Ламинаризация течения, проявляющаяся в уменьшении турбулентных пульсаций и снижении турбулентного переноса в пограничном слое, имеет существенное значение для авиационной техники, в частности, для решения задач снижения сопротивления трения и интенсивности теплоотдачи. Благодаря снижению интенсивности теплоотдачи на поверхности проточной части силовых и энергетических установок облегчается решение проблемы охлаждения теплонагруженных элементов - лопаток газотурбинных двигателей, камер сгорания и сопел двигателей и т.д. Это, в свою очередь, позволит увеличить температуру рабочего процесса и эффективность установки. Ослабление интенсивности теплоотдачи на поверхности трубопроводов приводит к уменьшению тепловых потерь и экономии тепловой энергии.
Снижение сопротивления трения позволит увеличить аэродинамическое качество летательных аппаратов, и как следствие, повысить их топливную эффективность.
Известны различные способы ламинаризации пограничного слоя. Один из наиболее эффективных и не требующих дополнительных затрат энергии, но в тоже время малоисследованных способов управления пристенной турбулентностью, сопротивлением трения и теплоотдачей основан на применении перфорированных поверхностей с демпфирующими полостями. В результате экспериментальных исследований было получено значительное (до 35%) снижение коэффициента трения и теплоотдачи при обтекании перфорированной трубы с глухими демпфирующими полостями. Эффективность данного метода авторы объясняют ламинаризацией пограничного слоя, однако прямого измерения турбулентных характеристик потока при обтекании такой поверхности ранее не предпринималось. Широко исследована ламинаризация пограничного слоя под воздействием продольного отрицательного градиента давления, которая сопровождается значительным снижением интенсивности теплоотдачи (до 50...70 %) при одновременном увеличении коэффициента трения (по сравнению с безградиентным обтеканием). Оценка совместного влияния продольного отрицательного градиента давления и демпфирующих полостей на характеристики пограничного слоя также ранее не проводилась и представляет большой интерес.
В настоящее время отсутствуют модели турбулентного переноса, адекватно отражающие реакцию турбулентности на интересующие управляющие воздействия, что не позволяет выполнить полноценные исследования по данной проблеме. Создание соответствующих моделей позволит проводить поиск оптимальных конструктивных решений на основе предварительного расчет-но-теоретического анализа.
На основании представленных доводов можно сделать вывод - выбранная тема диссертации является актуальной.
Цель работы. Повышение точности прогнозирования процессов ламинаризации около перфорированной поверхности с демпфирующими полостями в
ускоряющемся потоке (потоке с отрицательным продольным градиентом давления). Применение таких поверхностей позволит повысить к.п.д. силовых установок и топливную эффективность летательных аппаратов. Задачи исследования:
Разработать математическую модель турбулентного переноса в пограничном слое на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями в ускоряющемся потоке.
Разработать численный метод и программу расчета структуры, сопротивления трения и теплоотдачи турбулентного потока на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями в ускоряющемся потоке.
С помощью разработанной программы выполнить численное исследование течения, сопротивления трения и теплоотдачи турбулентного потока на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями в ускоряющемся потоке. Оценить при этом влияние различных факторов на рассчитываемые параметры.
Выполнить экспериментальное исследование структуры турбулентного потока и сопротивления трения на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями для получения эмпирических коэффициентов, необходимых для численного исследования, проверки достоверности расчетов и изучения процессов ламинаризации пограничного слоя.
Методы исследования. Для создания модели использовались методы вычислительной гидрогазодинамики. Численные исследования выполнялись с помощью методов вычислительной математики. Экспериментальные исследования выполнялись в аэродинамической трубе методом термоанемометрических исследований.
Научная новизна:
Впервые предложены математическая модель турбулентного переноса в пограничном слое, численный метод и программа расчета течения, сопротивления трения и теплоотдачи турбулентного ускоряющегося потока при обтекании перфорированной поверхности с демпфирующими полостями. Программный код программы зарегистрирован в Реестре программ для ЭВМ (№ 2011614303).
С помощью разработанной программы выполнено численное исследование влияния различных конструктивных и эксплуатационных факторов на течение, сопротивление трения и теплоотдачу ускоряющегося потока при обтекании перфорированной поверхности с демпфирующими полостями, в результате впервые было установлено, что в анализируемых условиях имеет место значительное снижение сопротивления трения (до 17%) и теплоотдачи потока (до 14%).
3. Результаты проведенных экспериментальных исследований удовлетворительно согласуются с результатами численного расчета. Некоторое (в пределах 3%) систематическое занижение опытных значений по отношению к расчетным результатам находится в пределах оговоренной погрешности эксперимента. Кроме того, в пограничном слое обнаружено снижение интен-
сивности турбулентных пульсаций скорости по отношению к непроницаемой поверхности, начинающееся от обтекаемой поверхности. Последнее подтверждает предположение о ламинариза-ции пограничного слоя.
Достоверность. Достоверность численных расчетов обеспечивается применением адекватной (подтвержденной экспериментальными результатами) математической модели турбулентного переноса, корректным использованием математических методов газовой динамики, апробированной методикой расчета, анализом погрешности вычислений.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением апробированных методов и аттестованных средств измерения, анализом погрешности измерений и подтверждается тестовыми экспериментами.
Практическая значимость. Предложенные математическая модель и метод расчета течения, сопротивления трения и теплоотдачи открывают возможность разработки и создания эффективных способов снижения сопротивления трения летательных аппаратов, тепловой защиты и охлаждения теплонагружен-ных элементов энергетических установок.
Математическая модель и программа расчета сопротивления трения турбулентного ускоряющегося потока внедрены в учебный процесс УВАУ ГА (И) на специальности 160503.65 - Летная эксплуатация воздушных судов в курсе «Аэродинамика и динамика полета магистральных воздушных судов».
Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013г.г.),ГК№П1122.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель турбулентного переноса, численный метод и
программа расчета течения, сопротивления трения и теплоотдачи ускоряющегося потока на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями, реализованные на языке программирования C++.
2. Результаты численного исследования течения, сопротивления трения и
теплоотдачи ускоряющегося потока на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями.
3. Результаты экспериментального исследования течения и сопротивления трения ускоряющегося потока на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на VI Международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения» (Егорьевск, 2007г.); на Международной научно-технической конференции - «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» МГТУ ГА, (Москва, 2008г.); на научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (2010, 2011гг.); на Международной научно-практической конференции - «Проблемы подготовки специалистов для гражданской авиации и повышения эффективности работы воздушно-
го транспорта», (Ульяновск, 2006, 2010гг.); на V Российской национальной конференции по теплообмену, (Москва, 2010г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 9 - в трудах Всероссийских и Международных конференций и периодических изданиях, 1 программный код.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (122 наименований) и приложений (23 страницы), включает 127 страниц машинописного текста, 21 рисунок и 3 таблицы.
