Введение к работе
Актуальность темы. Во многих типах технологических агрегатов и технических устройств в том или ином виде реализуются струйные течения. Так, практически во всех конструкциях энергетических установок вдув горючей смеси осуществляется в виде прямоточных или закрученных струй. Область практики, связанная со взаимодействием струй с твердыми поверхностями включает, помимо теплоэнергетики, процессы вентиляции, струйного нагрева и охлаждения заготовок, конденсацию и динамическую очистку.
Одним из эффектов, существенным образом влияющих на распространение струй в ограниченном пространстве, является эффект Коанда, который проявляется в отклонении струи, близкой к двумерной, в сторону близкорасположенной стенки с последующим присоединением к ней.
Известные теоретические модели присоединенных струйных течений (Bourque, Sawyer, Hoch, Абрамович) в своем большинстве основаны на интегральных подходах и требуют экспериментальной информации. До сих пор не создано адекватной модели, позволяющей описывать сложные присоединенные течения, сопровождаемые дополнительным вдувом.
Практически не исследована область критической точки в присоединенных струях, а большое количество исследований процессов в этой зоне, проведенное для импактных струй, касается в основном теплообменных характеристик, в то время как для изучения динамического воздействия необходимы данные по гидродинамике и турбулентной структуре. Наконец, некоторые эффекты, связанные с интенсификацией тепломассообмена в градиентной области импактных струй до сих пор не объяснены, имеется лишь ряд гипотез, часто взаимоисключающих, например, влияние крупномасштабных вихревых (когереігтньгх) структур - Гиневский, Ozdemir, Kataoka, или динамика развития распределений кинетической энергии турбулентности - Amano.
Многообразие возможных форм взаимодействия струй с поверхностями и широкая область практического применения требуют определения физических закономерностей таких течений и создания новых математических моделей, а следовательно, и экспериментального изучения характеристик струйных потоков.
Целью работы является комплексное изучение закономерностей распространения турбулентных струй в ограниченном пространстве и процессов взаимодействия струйных течений с твердыми поверхностями, а именно:
-
экспериментальное определение гидродинамических характеристик осесимметричной импактной струи в градиентной области течения;
-
экспериментальное исследование присоединения к стенке плоских турбулентных струй, истекающих параллельно или под углом из сопла над уступом (эффект Коанда). Изучение гидродинамики течения при управлении присоединенным струйным течением посредством вдува (отсоса) в зону
разрежения. Как практическое приложение - моделирование аэродинамики фонтанно-вихревой топки.
3)исслсдование распространения осе симметричных и плоских турбулентных струй в пространстве, загроможденном пучком цилиндров.
Методика эксперимента литых исследования. Основной объем исследований проведен при помощи электродиффузионного метода. Величины статического давления определялись отбором через отверстия на стенке с регистрацией дифманометром на основе терморезисторного преобразователя. Общая структура течения изучалась посредством визуализации воздушными пузырьками с регистрацией фото- и видеосъемкой.
Научная новизна. Впервые с использованием двойных электродиффузионных датчиков трения измерены распределения осредненных и пульсационных значений трения на стенке в непосредственной окрестности критической точки натекания в осесимметричной импактной и плоских присоединенных струях; экспериментально зафиксировано нулевое значение трения в точке стагнации. Обнаружены области существования локального нестационарного отрыва потока в зоне падения градиента давления на стенке для осесимметричной импактной струи.
Проведено количественное исследование влияния вдува (отсоса) в зону разрежения присоединенной плоской струи. Показано определяющее влияние вида вдува (струйного или рассеянного) на структуру течения и отсутствие влияния вида отсоса.
Проведено изотермическое моделирование аэродинамики фонтанно-вихревой топки новой геометрии,
Выявлены основные закономерности распространения осесимметричных и плоских турбулентных струй в канале, загроможденном пучком цилиндров. При помощи электродиффузионного метода впервые измерены поля осредненных и пульсационных скоростей в межтрубном пространстве для широкого диапазона режимных и геометрических параметров; показано существенное влияние эффекта Коанда на течение. Установлено, что характер взаимодействия струи с первым по потоку цилиндром (рядом цилиндров) определяет всю структуру течения.
Эти результаты представляются автором к защите.
Практическая ценность. Полученный объем экспериментальных данных позволяет дать рекомендации к совершенствованию конструкций конкретных технологических аппаратов, теплоэнергетического оборудования, струйной и пневматической техники. Анализ результатов проведенных исследований дает возможность модифицировать существующие математические модели с учетом реальных физических закономерностей. Ряд полученных принципиальных результатов открывает новое поле для экспериментальных и теоретических исследований с целью воссоздания адекватной физической картины изучаемых явлений.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях молодых ученых (ИТ СО РАН, Новосибирск, 1988, 1989, 1991 гг. ИТМО, Минск, 1988 г.; ИТТФ, Алушта, 1989 г.); на Всесоюзной конференции 'Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 1988 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы аэродинамики газовоздушных. трактов котельных агрегатов" (Барнаул, 1989 т.); на международном сипозиумс IUTAM-90 "Separated Hows and Jets" (Новосибирск, 1990 г.); на 10-м международном конгрессе "CHISA-90" (Прага, 1990 г.); на Всесоюзной конференции "Оптичекие методы исследования потоков" (Новосибирск, 1991 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов" (Челябинск, 1992 г.); на международном семинаре "Electrodttflusion Diagnostics of Flows" (Дурдан, Франция, 1993 г.); на международном симпозиуме 'Turbulence, Heat and Mass Trasnfcr" (Лиссабон, Португалия, 1994 г.); на 1-ой международной конференции "Flow Interaction" (Гонконг, 1994 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ.
Стружтура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы. Работа содержит 130 рисунков, библиография 120 наименований, общий объем диссертации 250 страниц.