Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Температурная стратификация в камере энергоразделения вихревых труб 13
1.1 Экспериментальное и численное исследование интенсивно закрученного ограниченного потока сжимаемого газа при наличии диафрагмирования торцевых сечений 13
1.2 Попытки обобщения экспериментальных данных характеристик вихревых труб 27
1.3 Применение вихревых труб в системах термостатирования элементов конструкции ГТД 40
Выводы по главе 42
Глава 2. Уточнение критериальной базы вихревого эффекта 43
2.1 Разработка критериальной базы вихревого эффекта на основе теории подобия и анализа метода размерностей 43
2.2 Обобщение опытного материала в виде критериальных уравнений для температурного разделения и гидравлических характеристик 61
2.3 Сравнительный анализ точности аппроксимации уравнениями по известным опытным данным 68
Выводы по главе 69
Глава 3. Численное исследование малоразмерных адиабатных вихревых труб 71
3.1 Разработка математической модели численного расчета течения в камере энергоразделения и выбор модели турбулентности 71
3.2 Численный алгоритм решения 78
3.3 Численный эксперимент на газах различной физической при роды 86
Выводы по главе 96
Глава 4. Экспериментальное исследование малоразмерных вихревых труб... 97
4.1 Методика эксперимента, экспериментальная установка 97
4.2 Обработка результатов эксперимента 105
4.3 Анализ результатов экспериментального исследования и их сопоставление с известными данными и результатами численного анализа 108
Выводы по главе 114
Глава 5. Вихревые трубы в системах борьбы с обледенением 115
5.1 Экспериментальная установка по изучению теплоотдачи закрученного потока и программа исследования 116
5.2 Анализ результатов экспериментального исследования 119
5.3 Численный эксперимент для охлаждаемой вихревой трубы 130
5.4 Методика проектировочного расчета малоразмерных вихревых труб на основе критериальных уравнений 132
Выводы по главе 146
Заключение 148
Список используемых источников
- Попытки обобщения экспериментальных данных характеристик вихревых труб
- Обобщение опытного материала в виде критериальных уравнений для температурного разделения и гидравлических характеристик
- Численный алгоритм решения
- Анализ результатов экспериментального исследования и их сопоставление с известными данными и результатами численного анализа
Введение к работе
Актуальность темы. За последние 60 лет работа над вихревым эффектом интенсивно велась как в отношении теории и эксперимента, так и создания новых конструкций вихревых аппаратов. Несмотря на это, во многих случаях трудно, а иногда и невозможно достаточно точно рассчитать необходимые для проектирования параметры.
Более всего вихревой эффект изучен на воздухе, но очень часто в промышленности требуется использование таких газов, для которых имеющихся экспериментальных данных по эффекту Ранка недостаточно.
Комплекс характерных особенностей закрученных течений привел к их широкому использованию при решении разнообразных задач тепло-массообменного характера в различных отраслях техники и технологий. Работы по изучению эффекта Ранка проводились на трубах различных размеров и геометрии. При этом экспериментальные данные не обобщены с позиций теории подобия и метода анализа размерностей. Обобщение известного опытного материала требует проведения исследований, направленных на уточнение критериальной базы и построения критериальных зависимостей.
Цель и задачи исследования. На основе имеющегося фактического материала, численных расчетов и постановки необходимых дополняющих опытов с использованием теории подобия и метода анализа размерностей разработать уточненную критериальную базу вихревого эффекта с учетом физического, геометрического и термодинамического подобия и выводом необходимых критериальных уравнений расчета основных характеристик вихревых труб.
Для достижения поставленной цели необходимо:
- на основе теории подобия и метода анализа размерностей уточнить критериальную базу вихревого эффекта; обобщить имеющийся опытный материал в виде критериальных уравнений;
- разработать численную модель расчета газодинамических параметров малоразмерной противоточной вихревой трубы; сравнить полученные результаты с имеющимися экспериментальными данными и оценить их адекватность;
- провести экспериментальное исследование малоразмерной вихревой трубы по определению недостающих данных;
- провести экспериментальное и численное исследование теплоотдачи закрученного течения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы:
- аналитические и численные методы;
- экспериментальные методы постановки теплофизического эксперимента.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Уточненная критериальная база вихревого эффекта;
2. Результаты численного расчета малоразмерных вихревых труб мм, микротруб мм;
3. Результаты экспериментальных исследований малоразмерных вихревых труб;
4. Критериальные уравнения расчета эффектов энергоразделения и гидравлики;
5. Методика проектировочного расчета малоразмерных труб.
Научная новизна работы. Разработана система критериальных уравнений, учитывающая влияние режимных и геометрических параметров на эффективность энергоразделения и позволяющая на этапе проектирования:
- оценить величину эффекта температурной стратификации в камере энергоразделения для воздуха;
- прогнозировать величину эффекта охлаждения малоразмерных вихревых труб, работающих на различных газах;
- рассчитать гидравлические характеристики малоразмерных труб.
Достоверность и обоснованность результатов достигается:
- использованием основных термогазодинамических законов;
- постановкой экспериментов на оборудовании, прошедшем метрологическую аттестацию с применением апробированных методик обработки опытных данных и подтверждается совпадением расчетных данных с результатами экспериментов и численных расчетов.
Практическая значимость работы. Критериальные уравнения по заданной холодопроизводительности, давлению и температуре сжатого газа позволяют рассчитать оптимальную по гидравлике и энергоразделению геометрию трубы, обеспечивающую необходимые эффекты охлаждения и подогрева. Даны практические рекомендации для расчета эффекта охлаждения при работе вихревого устройства на других газах. Показана возможность повышения эффективности антиобледенительной системы элементов конструкции двигателей летательных аппаратов за счет использования эффекта энергоразделения и повышения коэффициента теплоотдачи внутреннего течения от встроенных в защищаемую систему малоразмерных вихревых труб.
Реализация результатов.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс по кафедре «Общей и технической физики» РГАТА имени П. А. Соловьева.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: VI Всероссийская научно-техническая конференция «Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды», Рыбинск 2001г.; XIII школа-семинар под рук. ак. РАН Леонтьева А.И. «Физические основы экспериментального и теоретического моделирования процессов газодинамики и теплообмена», Санкт - Петербург, 2001г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», Самара, 2002г.; XIV школа-семинар под рук. ак. РАН Леонтьева А.И. «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках», Рыбинск, 2003г. (награждена дипломом за лучший доклад); XIII школа-семинар под рук. ак. РАН Черного Г.Г. «Современные проблемы аэрогидродинамики», Сочи, 2003г.; ХХ юбилейный семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям, Санкт – Петербург, 2004г.; XIV конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Алушта, 2005г.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 5 статьях, в том числе 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК, 6 тезисах докладов и 3 докладах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 164 листах, содержит 6 таблиц, 54 рисунка и состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня используемых источников из 122 наименований.
Попытки обобщения экспериментальных данных характеристик вихревых труб
Снижение температурной эффективности авторами объясняется увеличением относительных потерь на трение и уменьшением интенсивности взаимодействия вихрей. Закономерности изменения характеристик вихревых аппаратов при повышении Рх и тс-const, т.е при повышении Рх, не изучены.
Можно предположить увеличение коэффициента температурной эффективности при росте Рх в адиабатных трубах. В результате экспериментальных исследований получен ряд принципиальных положений: 1) противоточная вихревая труба более эффективна, чем прямоточная [37, 38]; 2) введение спрямляющей крестовины на горячем участке вихревой трубы позволяет уменьшить ее длину при сохранении эффектов подогрева на прежнем уровне; 3) уменьшение диаметра трубы приводит к снижению ее эффективности, однако вихревые малоразмерные трубы можно успешно использовать для ох лаждения объектов с небольшими тепловыделениями.
Вторая часть экспериментальных работ связана с изучением внутренней структуры вихревых потоков, реализуемых в вихревой трубе [25, 39-53].
Обобщая экспериментальные исследования микроструктуры вихревого потока выделим наиболее характерные и принципиальные его свойства:
1) в вихревой трубе присутствует два потока: периферийный с потенциальной закруткой и приосевои, движущийся аксиально в противоположную периферийному вихрю сторону;
2) при определенных значениях режимных и геометрических параметров работы вихревой трубы возникают зоны рециркуляции, которые могут достигать значительных размеров, как в продольном, так и в поперечном направлениях;
3) движение газа в вихревой трубе нестационарно и трехмерно; наиболее существенным проявлением неустойчивости является наличие прецессионного движения вихревого ядра, когерентных вихревых структур, распространяющихся по периферии;
4) турбулентность в вихревой трубе является неоднородной и анизотропной; превалирует радиальная составляющая пульсаций скорости; по мере продвижения к периферии масштаб турбулентности возрастает с одновременным уменьшением интенсивности.
Экспериментальное изучение турбулентной структуры потоков в вихревой трубе имеет свои специфические сложности. Это связано с тем, что существенная трехмерность потока и малогабаритность вихревой трубы, предъявляют очень жесткие требования к экспериментальной аппаратуре и делают в ряде случаев невозможным применение традиционных (тер-моанемометрических и др.) методов измерения. Использование же оптических бесконтактных систем существенно ограничивается спецификой конструкционных особенностей вихревой трубы.
Развитие компьютерных технологий и достигнутый уровень численных расчетов позволяют заменить натурный эксперимент численным, одновременно осуществляя компьютерную визуализацию.
Результаты численных расчетов структуры закрученных потоков в вихревых камерах с использованием кодов CFX представлены в работах [54-59].
В [54] течение в камере энергоразделения описывалось уравнениями сохранения массы, импульса и энергии; для расчета турбулентной вязкости использовалась поправка Keyes [60], значение коэффициента турбулентной вязкости принималось постоянным по всей сетке. Шаг по времени составлял 0.410 - 0.810" с. Авторами [54] получены профили тангенциальной составляющей скорости, которые позволили провести сравнение численных результатов расчета с экспериментальными данными Н. Н. Bruun [61], полученными на подобной установке. Сравнение состояния приосевого и периферийного потоков показало, что в приосевом преобладает расширение, а в периферийном — диссипация. Расширение потока вызывает эффект охлаждения приосевого потока. Механическое воздействие передается от приосевого потока периферийному трением, интенсифицируя процессы диссипации, которые при-водят к увеличению температуры подогретой части газа. Эта гипотеза имеет право на существование, она вписывается в физические процессы известной гипотезы взаимодействия вихрей [1, 62-64], однако предлагает свой, несколько отличный механизм взаимодействия.
На основе численных расчетов авторы [54] составили схему баланса потоков массы в камере вихревой трубы, подтверждающую факт формирования приосевого вихря и его подпитку массой, происходящей по всей длине камеры энергоразделения (рис. 8). сопловой ввод \100 % подогретый поток/Г :
Интенсивная закрутка в области соплового ввода приводит к тому, что примерно 15 % от исходного значения расхода эжектируется в потенциальный вихрь из возвратного потока, формирующего приосевой квазитвердый вихрь. В результате диссипативного торможения интенсивно закрученного потока снижается уровень окружных скоростей и баланс массообмена направлен уже из периферийного в вынужденный вихрь в количестве примерно 27 % от возможного расхода сжатого газа.
Более качественный численный расчет представлен в [55]. Авторы, взяли за основу вихревую трубу, детально исследованную экспериментально в [65].
Результаты численного расчета [55] выявили наличие в структуре потока вторичных вихревых течений (secondly flows) и показали на формирование в зоне отвода охлажденных масс газа генерации четырех вихревых жгутов - вторичных течений, рис. 9. Образование вторичных течений в камере энергоразделения экспериментально подтверждены при визуальном исследовании потока жидкости и газа в вихревых трубах различными авторами [1, 66-68]. В частности, Кныш Ю.А. [69] одним из- первых высказал возможность переноса энергии пульсирующими крупными вихрями.
Рис. 9. Формирование вторичных течений в камере энергоразделения
Сравнение результатов.расчета [55] с опытными данными [65] показали на достаточно удовлетворительное совпадение. Авторами предложена модель энергоразделения, по своей сути совпадающая с гипотезой разделения вихрей [1, 62-64]. Положив в основу энергоразделения реализацию микрохолодильных циклов за счет транспорта массы газа вторичными структурами вдоль радиуса в присутствии радиального градиента давления, авторы на основании анализа распределения давления, полученного численным расчетом, составили P,V-диаграмму микрохолодильных циклов и провели оценочный расчет эффектов охлаждения и подогрева. Хорошее совпадение результатов расчета с опытными данными подтверждает основные положения гипотезы взаимодействия вихрей Меркулова А.П., уточненные в последующих работах его учениками, еще в 1980 годах предсказавших возможность переноса массы газа вторичными течениями с образованием вихревых жгутов [1].
Обобщение опытного материала в виде критериальных уравнений для температурного разделения и гидравлических характеристик
Попытка обобщения характеристик по термодинамическому подобию предложенная в Чижиковым Ю.В. [95], не совсем корректна. Во-первых, параметр є0/к имеет размерность [К], а, следовательно, не несет критериального признака. Во-вторых, поделив потенциал Леннарда - Джонса є0, зависящего от свойств конкретного газа, на относительно малую величину к — константу Больцмана, одинаковую для всех газов, позволяет последнюю рассматривать лишь как масштабирующий множитель.
Таким образом, исследователями предложено несколько подходов к определению зависимости величины эффекта охлаждения для различных газов. В связи с расширением использования вихревого эффекта необходимо иметь зависимости, позволяющие прогнозировать величину эффекта охлаждения для различных газов и смесей и рассчитывать геометрию трубы, обеспечивающую требуемые входные характеристики по известным исходным данным. Для этого необходимо: разработать уточненную критериальную базу вихревого эффекта; разработать адекватную численную модель для расчета газодинамических параметров малоразмерной противоточной вихревой; провести экспериментальное исследование малоразмерной вихревой трубы; численно исследовать влияние природы рабочего тела на величину эффекта температурного разделения; провести экспериментальное и численное исследование теплоотдачи закрученного течения. Полученные результаты позволят получить систему критериальных уравнений для расчета термогидравлических характеристик вихревых устройств, а также возможность прогнозировать эффективность работы вихревой трубы на газах различной физической природы.
Необходимость исследования теплообмена при течении закрученного потока в осесимметричных каналах вихревого энергоразделителя первоначально возникла в связи с задачей совершенствования систем охлаждения лопаток турбин [1, 96]. Закрутка потока интенсифицирует процесс теплообмена и приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи по длине канала, а энергоразделение потока позволяет более эффективно охлаждать наиболее теплонапряжен-ные участки пера лопатки [5, 6, 96-98].
В работах [99, 100] выполнено исследование систем термостатирования оборудования на базе вихревых труб. Приведенные исследования направлены на применение вихревых труб с целью охлаждения оборудования или элементов конструкции ГТД.
Проблема борьбы с обледенением элементов конструкций входных устройств авиационных двигателей относится к одной из актуальных задач обеспечения их работоспособности и надежности в тяжелых условиях межсезонья, а также при эксплуатации в морских условиях при высокой влажности воздуха и температуре близкой к 0 С, т.е. в диапазоне небольшой положительной и небольшой отрицательной температуры (-5 t 5 С).
В настоящее время для этих целей отбирают сравнительно «дорогой» сжатый воздух от последних ступеней компрессора, где его температура достаточно высока, чтобы обеспечить необходимый подвод энергии в форме тепла для конвективного обогрева элементов конструкций. В подавляющем больший 41 стве реализуемых способов используется гладкое течение подогревающего воздуха в проточных полостях конструкции без целенаправленной его подготовки, что приводит к сравнительно низкой эффективности процесса за счет малых величин коэффициентов теплоотдачи. Компенсировать этот недостаток можно увеличением начальной температуры. Но такое решение экономически нецелесообразно, ибо приходится отбирать сжатый воздух от последних ступеней компрессора при сравнительно высоком давлении. Это снижает на 1,5 — 2% термический К.П.Д. цикла, что на режиме взлета и на режимах полета на малых высотах менее всего желательно.
Для этих целей представляется интересным использовать закрученное течение с организацией известного эффекта энергоразделения или эффекта Ранка. В этом случае температура поверхностных слоев газа закрученного за-диафрагмированного потока существенно повышается при заметном охлаждении приосевых масс. Температурное разделение происходит в строгом соответствии с первым началом термодинамики с учетом невязки за счет, неадиабатно-сти ограничивающих поток поверхностей [1, 101].
Интенсивно закрученный поток газа обеспечивает достаточно высокое значение коэффициента теплоотдачи (а =500...1000 Вт/(м К)) [102]. Таким образом, эффективность подогрева ограничивающих стенок обусловлена двумя факторами — подогревом периферийных масс газа в процессе температурной стратификации и высокими значениями коэффициента теплоотдачи. Это позволяет предположить, что вихревые трубки, встроенные в конструкции устройств летательных аппаратов и их двигателей, подверженных при определенных условиях полета обледенению, смогут обеспечить им надежную тепловую защиту, предотвратив негативное влияние от нароста ледового покрытия. В настоящее время нет примеров использования вихревых труб в системах тепловой защиты входных устройств авиационных ГТД, тем более интересны и значимым видится исследование в этой области. Выводы по главе
1 Попытки обобщения опытного материала с точки зрения теории подобия и метода анализа размерностей выполнены не совсем корректно. В связи с этим требуется более детальное исследование течения в вихревой камере экспериментальными, теоретическими и численными методами.
2 Критериальная база, опубликованная в известных литературных источниках, в подавляющем большинстве не содержит критерии, обуславливающие термодинамическое подобие, а где они есть, то выполнены не совсем верно, поэтому требуется ее уточнение.
3 Имеющиеся критериальные уравнения не дают возможности рассчитать характеристики вихревой трубы при ее проектировании.
Цель работы: На основе теории подобия и метода анализа размерностей, имеющегося фактического материала, численных расчетов и постановки необходимых дополняющих опытов разработать уточненную критериальную базу вихревого эффекта с учетом физического, геометрического и термодинамического подобия с выводом необходимых критериальных уравнений расчета основных характеристик вихревых труб.
Численный алгоритм решения
Численный алгоритм решения заключается в следующем: рассматривая значения в узловых точках, заменяем непрерывную информацию, содержащуюся в точном решении дифференциального уравнения, дискретными значениями. Алгебраические уравнения, которые являются дискретными аналогами исходного уравнения, включающие неизвестные значения ф в выбранных узловых точках, получаются из дифференциального уравнения, описывающего изменение величины ф, (где ф - зависимая переменная).
Дискретизация уравнений проводилась методом контрольного объема, который можно рассматривать как частный случай метода взвешенных невязок [113]. Расчетную область разбивают на некоторое число непересекающихся контрольных объемов таким образом, что каждая узловая точка содержится в одном контрольном объеме (рис. 15).
Для вычисления интегралов используют кусочные профили, которые описывают изменение ф между узловыми точками. В результате находят дискретный аналог дифференциального уравнения, в который входят значения ф в нескольких узловых точках:
Одним из важных свойств метода контрольного объема является то, что в нем заложено точное интегральное сохранение таких величин, как масса, импульс и энергия на любой группе контрольных объемов и, следовательно, на всей расчетной области. Это свойство проявляется при любом числе узловых точек, а не только в предельном случае очень большого их числа. Таким образом, даже решение на грубой сетке удовлетворяет точным интегральным балансам.
Результат решения дискретных уравнений относительно значений в узловых точках можно рассматривать двояко. В методе контрольных объемов в качестве приближенного решения берется предполагаемое изменение ф, состоящее из значений в узловых точках и интерполяционных функций между узло 81 выми точками. Интерполяционные формулы будем рассматривать как вспомогательные необходимые для вычисления интегралов. После получения дискретных аналогов предположения о характере профилей можно не учитывать. Такая точка зрения дает полную свободу использования различных профилей для интегрирования разных членов дифференциального уравнения. Шаг по времени, определяемый выражением
Это условие необходимо для естественного замыкания. Входные граничные условия - это параметры, характеризующие состояние жидкости на входе в расчетную область. На входе в расчетную область скорость не должна быть нулевой
Давление может быть определено различным способом во входном отверстии (статическое давление, полное давление, среднее давление и т.д.). Во всех этих случаях, граничный массовый расход — есть неявный результат. Если задать статическое давление на входе, то к нему необходимо задание скорости и указание ее направления:
Периодические граничные условия задаются в том случае, когда одна граничная поверхность соприкасается с другой граничной поверхностью. Связь между такими поверхностями должна быть осуществлена таким образом, чтобы не было разрывов контрольного объема (рис. 16). Поток величины через граничную поверхность в отличие от других граничных условий не дискретизируется. Связь между поверхностями устанавливается таким образом, чтобы Qi+Q2=0, (3.47) где (2i и Qi — потоки величин через граничащие поверхности контрольных объемов. Причем значения величин в двух соприкасающихся узлах из двух контрольных объемов должны быть равны, т.е.
Этот процесс может быть повторен для всех контрольных объемов, участвующих в условии периодичности. По известной конструкции и заданным геометрическим параметрам построена объемная модель противоточной вихревой трубы с цилиндрической камерой энергоразделения, которая представлена на рис. 17.
Сеточная модель расчетной области представлена на рис. 18, число ячеек 205 664. Целью численного исследования является получение интегральных характеристик эффекта энергоразделения для труб;.работающих нафазличных газах, поэтому не было необходимости усложнять расчетную- область сгущением сетки в области пограничного слоя. Экспериментально установлено, что для малоразмерных труб температурная эффективность конических труб незначительно превосходит эффективность цилиндрических труб. В связи с этим с целью сокращения времени счета расчетная область представляла собой цилиндрическую камеру.
Тестирование производилось путем сравнения численного расчета закрученного течения в вихревой трубе с экспериментальными данными.
Геометрия вихревой трубы выбрана с целью сопоставления результатов расчета с ранее проведенными исследованиями [94]: диаметр трубы dmp = 8 мм, относительная длина камеры энергоразделения 1 = 9, относительный радиус отверстия диафрагмы гд = 0,5, относительная площадь соплового ввода /с = ОД.
Генерация сетки была осуществлена в декартовых координатах. Сетка структурированная, сгущенная к стенке. Общее число ячеек - 205 тысяч. При расчетах в качестве рабочего тела использовался кислород.
Проведенные расчеты подтвердили формирование в камере энергоразделения вихревой трубы двух вращающихся в одном направлении вихрей, перемещающихся в противоположных осевых направлениях (рис. 19), которые впервые экспериментально были обнаружены в опытах [114], подтвержденные другими опытными данными [1]. Их энергетическое и газодинамическое взаимодействие составляет основу физической модели описания процесса энергоразделения известной как гипотеза взаимодействия вихрей.
Анализ результатов экспериментального исследования и их сопоставление с известными данными и результатами численного анализа
Сравнение показано при сохранении расхода теплоносителя в трубке на уровне 2 г/с при одностороннем подводе теплоносителя в трубку, а также при встречной и попутной закрутках при одном и том же перепаде давления ж = 4 в системе для моделей с закруткой.
Как видно из рис. 42 при гладком течении (схемы 6 и 7) теплоносителя получена довольно равномерная эффективность обогрева стенок на уровне 0,5...0,65. В моделях с закруткой уровень и неравномерность @ существенно меняются с изменением схемы течения теплоносителя.
При двухстороннем подводе теплоносителя со встречной (схема 5) или с попутной (схема 4) закрутками получен высокий локальный обогрев концов трубки и низкий обогрев середины — ниже, чем при гладком течении без закрутки. Причем с увеличением скорости холодного обдувающего воздуха обогрев стенок модели с закруткой теплоносителя снижается быстрее, чем при гладком течении.
Сильное снижение температуры стенки в средней части длины вихревых моделей следует объяснить интенсивным охлаждением теплоносителя при его течении от концов трубки к ее середине и возможным образованием застойной зоны с относительно низким коэффициентом теплоотдачи в середине трубки.
При одностороннем подводе и сбросе воздуха из трубки в торцевые отверстия (схема 3) получено равномерное распределение температуры по длине трубки 0 = 0,73...0,59, соответствующее изменению температуры по длине трубки на 25 С. В сравнении с моделью с гладким течением теплоносителя данный вариант с закруткой приводит к повышению температуры стенки трубки на AT равное от 0 до 25 С на представленном режиме термостатирова-ния. Повышение температуры стенки на 25 С соответствует месту подвода теплоносителя и середине длины трубки. Равенство температур получено на конце трубки, где теплоноситель сбрасывается.
Если теплоноситель выпускается только через отверстие в торце, примыкающем к, закручивающему устройству (схема 1); то это приводит к дополнительному повышению температуры стенок трубки по всей длине, за исключением, где выпускается теплоноситель. В сравнении с моделью с гладким течением у данной модели температура стенок повышено от 0 до 73 С на представленном режиме термостатирования, но при этом выросла неравномерность температуры стенок по длине трубки.
Уменьшить неравномерность температуры по длине и вместе с тем несколько поднять температуру конца трубки, где теплоноситель выпускается, позволила схема 2, когда обогревающий воздух подается только через Г сопло и сбрасывается в атмосферу через диафрагму рядом с соплом и черезідругое сопло на,противоположном конце трубки.. Следует отметить,, что данный вариант модели соответствует классической схеме вихревой трубы. На рис. 42 видно, что при одном и том же расходе воздуха данная схема модели по сравнению с моделью с гладким течением теплоносителя по температуре выигрывает 35 С в начале и в середине длины трубки и 14 С на расстоянии 26 калибров от подводящего сопла.
При ЛОБд — l, AT составил так же 50 С в начале трубки и равенство температур в конце трубки. Режим ЛОБД — 1 был рассмотрен исходя1 из того, что на двигателе РД-600В на режиме малый газ проектом заявлена расчетная минимальная температура стенки +0,5 С, которая соответствует величине 0 = 0,18. Примерно такая же величина mjn — 0,19 получена на модели с глад 130 ким течением теплоносителя при обдуве для л0щ = Р0БД /Ра = 2. В таких же условиях обдува на вихревой модели получено значение 0min = 0,25, что примерно соответствует повышению минимальной температуры стенки трубы на 10 С в сравнении с гладким течением теплоносителя.
Численный эксперимент для охлаждаемой вихревой трубы Численное моделирование осуществлялось для следующей геометрии вихревого энергоразделителя: диаметр цилиндрической камеры энергоразделения dmp = 7 мм;
Коэффициент теплоотдачи имеет максимальное значение в сопловом сечении, и снижается по длине камеры энергоразделения. Существенное повышение температуры стенок связано со значительной величиной подогрева масс газа периферийного потенциального вихря, и сравнительно высокими значениями коэффициента теплоотдачи.
На рис. 47 представлено сравнение результатов численного расчета и данных эксперимента по величине относительной температуры стенки.
При использовании закрученного течения температура центрального потока снижается, а температура потока у стенок растет, что повышает целесообразность использования данного способа обогрева, с точки зрения повышения надежности работы противообледенительной защиты входных устройств ГТД. вихревых охладителей, нагревателей, кондиционеров, термостатов является вихревая труба адиабатного или неадиабатного типов. Имеющиеся методики расчета применимы для вихревых труб диаметром более 10 мм [9—11]. Предлагаемая методика расчета может быть использована для малоразмерных вихревых труб диаметром 5... 10 мм, обычных труб диаметром 10...20 мм, а также микротруб диаметром менее 5 мм.
В процессе проведения расчета необходимо определить основные геометрические размеры вихревой трубы и ее основных элементов, режимные характеристики, обеспечивающие потребные абсолютные эффекты энергоразделения &ТХ, расход Gx и давление Рх исходного сжатого газа и расходы результирующих охлажденного Gx и подогретого Gr потоков.
