Введение к работе
Актуальность темы. Тепловое излучение продуктов сгорания, содержащих разного рода частицы, энергетических (ЭУ) и двигательных установок составляет десятки процентов от общего теплового потока. Поэтому для оптимизации работы ЭУ и процессов сгорания топлива в них, интенсификации тепловых процессов, уменьшения теплонапряженности, организации теплозащиты в ЭУ, для разработки новых конструкционных материалов и видов топлива, прогнозирования характеристик новых энергоустановок необходим возможно более точный учет радиационной составляющей.
Отсутствие экспериментальных данных по характерам изменения параметров, определяющих тепловое излучения продуктов сгорания энергоустановок, по тракту и сечению двигателей, приводит в некоторых случаях к существенной неточности теоретических (расчетных) исследований, не позволяет выявить закономерности в процессах теплового излучения продуктов сгорания.
А отсутствие строгой и надежной технологии вычислительного эксперимента не позволяет корректно планировать и интерпретировать радиационный эксперимент.
При теоретическом исследовании теплового излучения, в силу сложности математического аппарата теории теплового излучения и сложности физической и математической моделей радиационных процессов энергоустановок, целесообразно использовать метод вычислительного эксперимента.
Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа проводилась по двум научно-техническим программам Министерства образования РФ: 1) по программе "Научные исследования высшей школы в области транспорта" на 2000 г., раздел "Транспортные ракетно-космические системы", проект 05.02.01.27 "Тепловое излучение РДТТ"; 2) по программе "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" на 2000-2002 гг., раздел "Транспортные ракетно-космические системы", проект 205.02.01.004 "Тепловое излучение гетерогенных продуктов сгорания РДТТ".
Целью работы является повышение надежности и точности расчетов спектроэнергетических характеристик теплового излучения продуктов сгорания энергетических установок.
Объект исследования: продукты сгорания двигателей (ракетных и дизельных) транспортных средств и энергетических установок (топки, печи, кот-лоагрегаты).
При выполнении данной работы поставлены следующие задачи:
систематизировать литературные данные по оптическим свойствам, дисперсности, радиационным характеристикам, тепловой и динамической нерав-новесностям частиц и газа в продуктах сгорания энергетических установок;
разработать технологию вычислительного ^(Жримедтя для моделирова-
ния оптических свойств, радиационны < вЙбаКМВНУІМЗДМІцєссов теплового
«ИБЛИОТЕКА |
излучения продуктов сгорания в широких пределах изменения определяющих параметров;
исследовать влияние основных параметров на радиационные характеристики и тепловое излучение продуктов сгорания;
провести вычислительные эксперименты и выработать рекомендации для корректной интерпретации экспериментальных результатов при определении температуры, оптических свойств, размеров частиц продуктов сгорания,
Метод исследования: вычислительный эксперимент. Научная новизна. Впервые осуществлены:
разработка технологии вычислительного эксперимента по комплексному исследованию оптических свойств, радиационных характеристик и процессов теплового излучения продуктов сгорания энергетических установок;
создание сетевой автоматизированной программной системы RTES для повышения надежности и точности расчетов характеристик теплового излучения гетерогенных продуктов сгорания в энергетических установках.
Практическая ценность и реализация работы. Вычислительные эксперименты по влиянию определяющих параметров на тепловое излучение продуктов сгорания ЭУ позволили установить области наибольшей информативности эксперимента при определении радиационных характеристик и температуры продуктов сгорания. На основе анализа результатов вычислительных экспериментов даны практические рекомендации при интерпретации экспериментальных результатов при определении температуры, определяемой пирометрическими приборами, и размеров частиц. С помощью описанной в работе методологии и результатов работы находится влияние определяющих параметров на микро- (радиационные характеристики единичных частиц и единичного объема) и макро (степень черноты, интенсивность, плотность теплового потока) уровни, что позволяет определить стратегию проводимого физического эксперимента или его планирование. Вычислительный эксперимент при вариации исходных данных позволяет получить новые закономерности и данные в спектроэнергетических характеристиках теплового излучения, когда физический эксперимент затруднен или невозможен.
Результаты работы в виде методики и справочного материала переданы на кафедру "Двигатели внутреннего сгорания" Вятской государственной сельскохозяйственной академии для использования в расчетах теплообмена при создании и отработке опытных образцов дизельных и газодизельных энергоустановок.
На защиту выносятся:
1. созданная технология (методология) вычислительного эксперимента по комплексному исследованию оптических свойств, радиационных характеристик и процессов теплового излучения продуктов сгорания энергетических установок;
результаты определения влияния ширины спектрального диапазона при оценке теплового излучения для планирования и интерпретации физических экспериментов;
обоснование значений параметров, определяющих первый дифракционный максимум радиационных характеристик индивидуальных частиц;
результаты исследования влияния определяющих параметров на радиационные характеристики гетерогенных продуктов сгорания ЭУ;
построенная феноменологическая модель теплового излучения продуктов сгорания ЭУ;
методическое обоснование применимости методов численного исследования характеристик теплового излучения дисперсных систем;
созданная программная система RTES и ее функциональные характеристики;
результаты исследования с помощью программной системы характеристик теплового излучения продуктов сгорания.
Достоверность полученных результатов достигнута детальным анализом исходных теоретических положений и исходных данных, подтверждением результатов расчета ранее проведенными экспериментами, сравнением результатов вычислительных экспериментов и полученных на их основе теоретических зависимостей с имеющимися в литературе теоретическими и экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях (НТК) Вятского государственного университета в 2000-2004 гг.; на Международной молодежной НТК "XXVI Гагаринские чтения", г. Москва, 2000 г.; на Седьмой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-7, г. Санкт-Петербург, 2001 г.; на XIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", г. Санкт-Петербург, 2001 г.; на Российском национальном симпозиуме по энергетике, г. Казань, 2001 г.; на Третьей Российской национальной конференции по теплообмену, г. Москва, 2002 г.; на Международной молодежной научной конференции "XII Туполевские чтения", г. Казань, 2004 г.
По результатам научных исследований в 2000 г. на молодежной НТК "XXVI Гагаринские чтения" в Московском авиационном институте работа удостоена диплома третьей степени.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ и выпущено 2 научно-технических отчета.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 154 страницы, 43 рисунка, библиографию из 147 наименований.
