Исследование течения с теплоотдачей в стенку в полостях вращения энергетических установок летательных аппаратов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»

УДК 669.713.7

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ С ТЕПЛООТДАЧЕЙ В СТЕНКУ В ПОЛОСТЯХ ВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Д. С. Швецова, Т. А. Королева Научный руководитель - А. А. Зуев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование течения с теплоотдачей в стенку в полостях вращения, характерных для энергетических установок летательных аппаратов.

Ключевые слова: теплоотдача, полости вращения, вращательное течение, твердое тело, свободный вихрь, температура

INVESTGATION OF THE FLOW WITH HEAT TRANSFER TO THE WALL IN THE ROTATION CAVITIES OF POWER PLANTS OF AIRCRAFTS

D. S. Shvetsova, T. A. Korolyova Scientific Supervisor - A. A. Zuev

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

We conducted a theoretical and experimental study of the flow with heat transfer to the wall in the rotation cavities ofpower plants of aircrafts

Keywords: heat transfer, rotation cavities, rotation flow, solid, free whirl, temperature.

Традиционно при проектировании летательных аппаратов совместно используются теоретический и экспериментальный методы, с помощью которых определяются гидродинамические (распределение скоростей, напряжения трения, давлений) и тепловые (коэффициент теплоотдачи, количество переданного тепла, распределение температур) характеристики [1].

Основные результаты экспериментальных и теоретических исследований в данной работе являются новыми и заключаются в следующем: впервые получен закон теплообмена для степенного профиля распределения скорости; разработана методика и алгоритм расчета параметров течения с теплоотдачей в стенку в полостях вращения.

Получено аналитическое выражение для локального коэффициента теплоотдачи в виде критерия Стантона [2]:

U

для вращательного течения по закону «твердого тела» — = ю = const:

R

St =

1

m+1 Pr m+3

f ОГ A

2 Js • m v<4 (m + 2 )(m + 3)Remy

2 m+3

для вращательного течения по закону «свободного вихря» UR = C = const:

2 Js

2

^ m+3

St = ■ ' ""

Pr

m+3

v am-1(m + 1)(m + 2)Rem ,

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1

Тогда локальный коэффициент теплоотдачи определяется [3]:

а = рСрШг..

Достоверность методики расчета подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных данных исследуемых участков представляющих собой полости вращения характерных для энергетических установок летательных аппаратов. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований составляет не более 7 %.

Выявлено, что на локальный коэффициент теплоотдачи существенное влияние оказывает окружная составляющая скорости.

Существенный рост температуры воздуха (рабочего тела) над температурой на входе, на начальном участке может оказывать влияние на температуру стенки элементов конструкции агрегатов и снижать прочностные и эксплуатационные характеристики, но, как правило, этого не происходит, если со стороны теплообменного аппарата находится теплоноситель с достаточно высоким коэффициентом теплоотдачи (вода) и высокой теплопроводностью материала конструкции (см. рисунок).

т:с

ьк

v.

к

Тдд

Т31

и -

□ 0,02 0.06 0.Ш 0,1

£ М

Распределение по радиусу параметров температуры воздуха Tg, воды 77, стенки со стороны воздуха T5g, стенки со стороны воды ТЫ при объемном расходе воздуха 0,035 м3/с, температуре воздуха на входе 50 °С

В общем случае целью исследования является определение скоростей в потоке, полей температур и термических напряжений в материале конструкций окружающих поток. Уровень температуры непосредственным образом влияет на запас прочности деталей энергоустановок космических аппаратов.

Таким образом, в результате интегрирования уравнения движения и энергии в граничных условиях пограничного слоя турбомашин получены выражения для определения коэффициентов теплоотдачи в виде критерия Стантона для прямолинейного течения, вращательного потенциального течения и вращательного течения по закону «свободного вихря».

Библиографические ссылки

1. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен : пер. с англ. В 2-х т. Т. 1. М. : Мир, 1990. 384 с.: ил.

2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. : Наука, 1969.744 с.

3. Тепломассообмен и трение при градиентном течении жидкостей. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Энергия, 1971. 568 с.

© Швецова Д. С., Королёва Т. А., 2017