Кинематические характеристики турбулентного неизотермического стационарного течения газа в трубе Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 532

С. В. Юшко

КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОГО НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО СТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В ТРУБЕ

Ключевые слова: Турбулентное стационарное течение газа в трубе, неизотермичность.

Проведено исследование стационарного неизотермического турбулентного потока, а также сравнение интегральных характеристик турбулентного пограничного слоя.

Keywords: Stationary turbulent gas flow in tube, nonisothermal.

The research of stationary nonisothermal turbulent flow as well as comparison of integral parameters of turbulent boundary layer has been carried out.

Представленные в данной работе исследования проводились в рамках цикла работ, направленных на изучение влияния тепловой и гидродинамической нестационарности на характеристики расхода газовых потоков для нужд промышленных предприятий Российской Федерации в целях повышения качества учета и оптимизации потребления энергоносителей.

Исследования проводились в круглой трубе с подоводом и без тепла. Исследования проводились на газодинамическом стенде открытого типа с забором воздуха из термостабилизированной комнаты. Измерения кинематических характеристик потока проводилось с помощью термоанемометра постоянной температуры.

Рис. 1 - Профиль температуры в сечении рабочего участка, Wo=25 м/с

На рис. 1 представлен профиль температуры в сечении рабочего участка.

Интегральные величины, полученные экспериментально в стационарном турбулентном неизотермическом потоке, представлены на рис.2 -5.

a'/s"

-1 — - данные Кутателадзе-Леонтьев а 1-1

♦

Д анные авт 1*™

♦ - сечение 2 ■ - сечение 3 а - сечение 4

Рис. 2 - Безразмерная толщина вытеснения в зависимости от величины температурного фактора

575"

-1--данные Кутателадзе-Леонтьева 1-

- •• а

1 " * •

Д анные авто

■ - сечение 3 а - сечение 4 —1-1—

V

Рис. 3 - Безразмерная толщина потери импульса в зависимости от величины температурного фактора

Все величины отнесены к аналогичным, полученным в изотермическом турбулентном потоке (индекс «0») при равных числах Ив [2]. Такой подход позволяет выявить характер влияния подвода тепла на интегральные характеристики пограничного слоя.

Рис. 4 - Формапараметр неизотермического потока в зависимости от величины температурного фактора

Рис. 5 - Безразмерный коэффициент трения в зависимости от величины температурного фактора

Данные на рисунках представлены в сравнении с расчетами, выполненными в соответствии с зависимостями, приведенными в [1],

1.50

1.25

1.00

0.50

1.00

1 .0

0.8

0.5

0.3

0.0

0.4

0.6

0.8

1 .0

1.15

Cf /Cf

1.5

1.05

1.00

1.3

- эксперимент автора

- число Re - бесконечность

0.95

1.0

0.90

0.8

1.00

1.01

1.02

1.03

1.04

0.5

1.00

1.05

1.15

полученными для неизотермического турбулентного потока в трубе с развитым динамическим и температурным пограничным слоем. Я*

Я = ¥°Ы2

5

С

H_

H0

= ¥

= ¥

-0.318

(1)

(2)

(3)

На рис.13 относительный коэффициент трения приведен в сравнении с зависимостями,

приведенными в [1], где:

( \

2

f Cfo

8.2 -(у-1»«- Cfo +1

¥co

f Cfo

V¥+1

(4)

(5)

Щгх> - безразмерный коэффициент трения при числе Re - бесконечность.

При изучении статистических характеристик потока, таких как коэффициент асимметрии и коэффициент эксцесса турбулентных пульсаций

скорости потока Ai =

w) Е = м

Wf №)

[2],

полученных в настоящих исследованиях, было отмечено, что их поведение отличается от поведения, предложенного авторами работы [8, 9]. В ней указывается, что максимум степени турбулентности, смена знака коэффициента асимметрии и экстремум коэффициента эксцесса приходится на область пересечения универсального логарифмического закона с линейным профилем скорости характерным для вязкого подслоя. Данное положение объяснялось тем, что в области перемежаемости имеет место равновероятное

внедрение объемов жидкости с высокой (из ядра турбулентного пограничного слоя) и низкой (из области вязкого подслоя) скоростью. Данный метод определения границы вязкого подслоя с помощью термоанемометра является интересным [3], поскольку анализ осредненной составляющей скорости потока, измеренной термоанемометром, затруднен в виду активного влияния стенки на его показания на таких расстояниях. Между тем, статистические характеристики турбулентных пульсаций скорости можно определить с помощью термоанемометра достаточно точно. Таким образом, с помощью представленного метода представляется возможным определять не толщину вязкого подслоя, а местоположение ядра зоны перемежаемости.

Проведенное исследование стационарного турбулентного потока с подводом тепла и без, а также сравнение интегральных характеристик турбулентного пограничного слоя, полученных по результатам этого исследования, с результатами других авторов позволили:

• сделать вывод о корректности использованных в работе методик нахождения этих характеристик;

• получить основные соотношения для моделирования квазистационарных состояний потока по числу Re и параметру у;

Литература

1. Шлихтинг Г., «Теория пограничного слоя», М.: Наука, 1974 - 711 с.

2. Шамсетдинов Ф.Н., Габитов И.Р., Зарипов З.И., Радаев А.В., Сабирзянов А.Н. Экспериментальная установка для исследования вязкости газонасыщенных жидких углеводородов при давлениях до 50 МПа // Вестник Казан. Технол. Ун-та. - 2013. №18 - С. 112-115.

3. Хадиев М.Б., Соколов Н.В., Федотов Е.М. Гидродинамические, тепловые и деформационные характеристики смазочных слоев упорных подшипников, профилированных скосом, параллельным радиальному межподушечному каналу // Вестник Казан. Технол. Ун-та. - 2013. №14 - С. 96-101.

2

2

X)

© С. В. Юшко - д-р техн. наук, зав. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, [email protected].