CC BY
30
№ 10
2006
532.526
ЛАМИНАРИЗАЦИЯ ТГХС В ПУСКОВОМ РЕЖИМЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Канд. техн. наук, доц. Ю.Г. ВОЛОДИН, асп. М.В. ЯКОВЛЕВ
При экспериментальном исследовании теплообмена установлено, что высокие степени нагрева теплоносителя приводят к ламинаризации ТИС, причиной которой является температурим и напор.
By experimental research heat transfer gel what the great temperature heat-hearer guide laminaralion (he turbulent boundary layer (TBL) by cause from the temperature difference.
Я^ .сние ламинаризации турбулентного пограничного слоя (ТПС) впервые было обнаружено при исследовании обтекания сферы, а несколько позже — при течении в сужающихся каналах [l]. Исследования турбулентной структуры потока в условиях ламинаризации, например в [2], показали, что она приводи т к уменьшению интенсивности процессов турбулентного переноса, чем объясняется, в частности, снижение коэффициентов теплоотдачи. Однако это явление проявляет себя не только в сужающихся каналах. Так, авторы [з] зарегистрировали его, изучая теплообмен в вертикальной цилиндрической трубе при высоких степенях нагрева обтекаемой поверхности.
Нами исследовался теплообмен в горизонтальной цилиндрической трубе при температурных напорах до 950 К. Температурный напор создавался включением плазмотрона при постоянном массовом расходе газа. Эксперименты выполнены в диапазоне изменении числа Re = 3-104 - 6-Ю4, построенного по среднерасходной скорости. В процессе исследования регистрировались температура газа Т{) и стенок Tw канала, полное давление и динамический напор. В качестве датчиков для измерения температуры применялись хромель-алюмелевые и хромель-копелевые микротермопары, для измерения давлений — датчики ДМИ-0,1. Подробнее описание экспериментального и диагностического оборудования приведено в [4]. Среднеквадратичная погрешность в определении коэффициентов теплоотдачи составила 12 %.
При интенсивном росте температуры газового потока и гаком же стремительном изменении теплофизических свойств теплоносителя увеличивается и скорость потока w0 вне пограничного слоя. Процесс нестационарного теплообмена, вызванного возрастанием температуры Г0 газа, составляет около 0,1 с. За это время формируются величина температурного напора TQ -Tw, скорости потока w(), числа Re, параметра ускорения К и коэффициента теплоотдачи St, которые в интервале времени t > 0,1 с остаются практически неизменными. На рис. 1 приведены зависимости St(Re^JPr) [5] для турбулентных (кривая 1)
с 0,0128
Re**ü.25pr0.75 (1)
(2)
2,5) при значе-Опытные точки
и ламинарных (кривая 2) 81 = —^—^
режимов течения (измерительное сечение с координатой X -х/с1~ нии числа Re^* = 100, построенного по толщине потери энергии.
№ 10
2006
группируются около кривой 2, хотя число Рейнольдса составляет 18800 и определяет режим движения рабочей среды турбулентным.
и
о ® о о
Ке 11
о °
о О 0
ООО
О О о с»
&
'з»; о
о
+ ч- +
У-1
х- >•.
С. В-
С. 8
С
Рис. 1. Эволюция во времени начальных условий, параметра ускорения и коэффициента теплоотдачи
Экспериментальные значения коэффициента теплоотдачи 81 определялись по выражению
Ро^оС.о (Т0-Т„)
т ю
2006
Массовая скорость р()% — величина постоянная из условий эксперимен та. Плотность теплового потока €/1г определялась так:
-уг
с1 - С р Д —+ Да . (4)
■/И' рИТ И И ^^ X Н" 4 7
Потери тепла Асуи. при свободной конвекции и за счет лучеиспускательной способности поверхности опытного канала определялись согласно рекомендациям, приведенным в [б], и составили не более 10 % от величины ¿уи.. В первое слагаемое выражения (4) входит удельная теплоемкость и плотность материала стенки канала, толщина стенки канала и временной градиент температуры стенки. На рис. 2 показано изменение величин Ги. (1) и дТ^./д! (2), из которого следует, что скорость роста температуры Т^ стенки является величиной постоянной. Следовательно, д будет неизменной величиной. Так как с/и, входит в (3), то единственной переменной величиной, определяющей теплообмен в рассматриваемых условиях, будет температурный напор. Варьирование в эксперименте величиной температурного напора показало, что при АТ> 500 К опытные точки на рис. 1, независимо от числа Ие и места расположения измерительного сечения по длине начального участка, группируются около кривой 2. Расширение временного интервала в эксперименте за пределы 1 с также показало, что по мере прогрева стенок канала и уменьшения температурного напора наблюдается прямой переход от ламинарного к турбулентному режиму, а опытные точки по коэффициенту теплоотдачи монотонно мигрируют от кривой 2 к кривой /. Время, в течение которого опытные точки группируются около кривой 2, определяется величиной температурного напора. Чем больше температурный напор , тем больше времени необходимо для нагрева стенок канала и достижении величины АТ ~ 500 К, менее которой начинается увеличение теплоотдачи.
дГг
Т,
310,0
юоо -
"Ш
2=0,0
+ ++++ + ++++ +
31
I 80,000
40,000
и.иии
и,0-
0,1
0,1!
0,2
025
с
Рис. 2. Изменение во времени граничных условий
Представляется интересным рассмотреть результаты работы [з], где максимальное значение температурного фактора ф/г равно 4,4, а в нашем случае минимум ф;/ равен 0,26. Это свидетельствует о примерно равнозначном по величине с [З] температурном напоре, но противоположно направленном. В рассматриваемых условиях авторы добились полного перехода к ламинарному режиму течения (число Ие = 1700 ). Параметр ускорения К, предложенный в [7], увеличивается по направлению течения (рис. 1).
По результатам выполненных исследований можно сделать выводы, что высокие степени нагрева теплоносителя могут быть причиной ламинаризации ТПС. С учетом иссле-
№ 10 . 2006
дований [з] нужно отметить, что основной причиной, приводящей к ламинаризации ТПС при высоких степенях нагрева, независимо от направления теплового потока, является температурный напор. При расчете коэффициентов теплоотдачи, независимо от величины числа Re , характеризующего режим течения теплоносителя, особое внимание следует уделять величине температурного напора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дейч М. Г., Л а з а р е в Я. Я. Исследование перехода турбулентного пограничного слоя в ламинарный // ИФЖ. — 1964. — Т. 7. — № 4. — С. 18—24.
2. Ш и ш о в Е. В., Афанасьев В. Н., Б е л о в В. М. Структура «асимптотического» турбулентного пограничного слоя и теплообмен в ускоренном потоке / Труды МВТУ «Исследование процессов тепло- и массообмена». — 1979. — Вып. 4. — № 302. — с. 5—30.
3. К у н, П е р к и н с. Переход от турбулентного режима к ламинарному для течения в трубе со значительным изменением физических свойств / Труды Амер. Об-ва инж. - мех. — Сер. С. — Теплопередача. — 1970. — Т.92. —№3. —С. 198—204.
4. Володин Ю. Г., Ф е д о р о в К. С., Я к о в л е в MB. Коэффициент трения в пусковом режиме энергетической установки // Известия вузов. Машиностроение. — 2006. — № 8. — С.
5. Кутателадзе С. С, Леонтьев А. И. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 320 с.
6. M и х е е в М. А. Основы теплопередачи. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. — 392 с.
7. M о г ett i P. M., К ay s W. M. Heat transfer to a turbulent boundary layer with varying free-stream velocity and varying surface temperature — an experimental study// Int. J. Heat and Mass Transfer. — 1965. — Vol. — P. 1187— 1202.
