CC BY
11Решетневскце чтения
УДК 532. 526; 536. 244
В. М. Краев
Московский авиационный институт (Государственный технический университет), Россия, Москва
О ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПАХ ВЛИЯНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ НА ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ*
Приводится анализ влияния неизотермичности и гидродинамической нестационарности на порождение и развитие турбулентности. Предложена физическая модель гидродинамически нестацирнарного турбулентного течения, созданная на основе проведенных ранее экспериментальных исследований по изучению структуры нестационарного турбулентного потока при течении газа в канале.
Расчеты нестационарных тепловых и гидродинамических процессов ставятся в ряд определяющих при разработке новых образцов техники в различных областях - авиации и космонавтике, энергетике, судостроении, криогенной технике, химической технологии и т. д.
Очевидно, что инженерные расчеты по теплообмену и гидродинамике могут быть выполнены при условии фундаментального изучения нестационарных процессов. Лишь органичное сочетание фундаментальных и прикладных исследований является наиболее эффективным путем получения практических результатов.
Данная работа посвящена анализу физических процессов, связанных с влиянием неизотермичности и нестационарности расхода на механизмы порождения и развития турбулентности.
Основой работы является большой объем экспериментальных исследований при нестационарном турбулентном течении воздуха в цилиндрическом канале.
Проведя анализ результатов исследования структуры турбулентных течений и частотного анализа [1-3], можно высказать предположения о влиянии гидродинамической нестационарности и неизотермичности течения на физические процессы, происходящие вблизи стенки канала. Итак, в вязком подслое 0 < ^ £ 5 течение неламинарное. Сюда проникают пульсации скорости малой амплитуды и большие количества жидкости из соседних областей. В зоне 5 < ^ < 15 периодически возникают вихревые структуры, которые выбрасываются в более удаленные слои. Взаимодействие этих выбросов с основным потоком, главным образом в зоне 7 < ^ < 30, и ведет к порождению турбулентности, которая обычно сосредоточена лишь в слое, не выходящем за ^ = 70. Наиболее важной чертой этой области являются возникновение и выброс вихревых структур. Эти процессы носят случайный характер и зависят от локальных условий, однако интенсивность и средняя частота возникновения этих структур есть функции различных параметров, в том числе скорости течения (Яе) и температуры стенки канала (Г/Т}). После выброса и уноса вихревой структуры около стенки возникает локальная область замедленного течения толщиной порядка ^ ^ 30 с
очень малым градиентом скорости, затем эта локально замедленная область взаимодействует с большой массой газа (жидкости), двигающейся со скоростью, близкой к средней для этого слоя. В результате такого взаимодействия происходит резкий выброс вихрей из замедленной области в верхние слои, который и является основным источником турбулентной энергии. В условиях неизотермического течения (Г/Т} = 1,18) замедленная масса газа у стенки успевает существенно нагреться и расшириться. Это увеличивает поверхность ее взаимодействия с большими ускоренными массами относительно холодного газа и приводит к более интенсивному выбросу, поэтому происходит интенсификация порождения турбулентности.
При гидродинамической нестационарности в случае ускорения течения профиль скорости становится более заполненным, что приводит к некоторому «сжатию» пристеночной зоны, в которой и происходит зарождение турбулентных вихрей. Это, в свою очередь, ведет к более интенсивному взаимодействию замедленного течения с большой массой газа и резкому увеличению интенсивности турбулентных выбросов в поток. Далее турбулентная структура (вихрь), попадая в слои с более высокими касательными напряжениями, вызванными ускорением потока, распадается на более мелкие значительно быстрее, чем в стационарном случае. Описанные процессы ведут к существенному росту коэффициентов турбулентных вязкости и теплопроводности, что способствует росту теплообмена и сопротивления при ускорении потока.
Обратные явления происходят при замедлении течения. Профиль скорости становится менее заполненным; пристеночная зона, в которой и происходит зарождение турбулентных вихрей, расширяется относительно стационарного случая; интенсивность взаимодействия замедленного течения с большой массой газа падает, что приводит резкому уменьшению интенсивности турбулентных выбросов в поток. Попадая в слои с меньшими касательными напряжениями (по сравнению со стационарным случаем), турбулентные вихри распадаются на мелкие гораздо медленнее. Это приводит к уменьшению коэффициентов турбулентных вязкости и теплопроводности, и, следовательно, к уменьшению теплообмена и сопротивления при замедлении потока.
*Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 11-08-00507-а).
Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательных аппаратов
Библиографические ссылки
1. Бухаркин В. Б., Краев В. М. Влияние гидродинамической нестационарности на теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе // Тр. 3-й Рос. нац. конф. по теплообмену. М. : Изд-во МЭИ, 2002. Т. 2. С. 71-74.
2. Краев В. М. Влияние гидродинамической нестационарности на коэффициенты теплоотдачи и гидрав-
лического сопротивления при турбулентном течении теплоносителя в трубе // Вестник Моск. авиац. ин-та. 2005. Т. 12. № 2. С. 39-45.
3. Краев В. М. Теплообмен и гидродинамика турбулентных течений в условиях гидродинамической нестационарности // Изв. вузов. Авиац. техника. 2005. № 3. С. 39-42.
V. M. Kraev
Moscow Aviation Institute (State Technical University), Russia, Moscow
ABOUT A PHYSICAL FENOMENA OF HYDRODYNAMIC UNSTEADINESS INFLUENCE ON TURBULENT FLOW
The author presents analysis of influence of non-isothermal conditions and hydrodynamic unsteadiness on generation and development of turbulence. The physical model of unsteady turbulent flow, based on experimental data of turbulent structure is presented as well.
© Краев В. М., 2011
УДК 621.45-181.4:629.78
Е. М. Краева
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
К РАСЧЕТУ СТРУКТУРЫ ПОТОКА В КАНАЛАХ ВЫСОКООБОРОТНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОЛЕСА*
С учетом особенностей обтекания входной кромки лопатки высокооборотного центробежного колеса выполнен анализ пограничных слоев на поверхности межлопаточного канала.
Рассмотрим структуру гидродинамического потока для режима, когда точка раздвоения линии тока совпадает с точкой, в которой пересекаются входная и боковая кромки профиля лопатки центробежного колеса (ЦБК) [1].
Поток в каналах рабочего колеса (РК) формируется при обтекании входных кромок лопаток, имеющих конечную толщину 5л с прямой формой входной кромки или в виде клина длиной /кл < 10 мм, величиной < 2 мм и углом установки Р1л средней линии профиля лопатки. На напорной стороне лопатки пограничный слой не только определяется характеристиками набегающего потока, но и оказывает на него обратное влияние через толщину вытеснения 5*, что приводит к изменению гидравлического угла установки лопатки от геометрического на величину ДРл (см. рисунок).
Оценим влияние вытесняющего действия пограничного слоя в области входа на лопатку. С учетом толщины вытеснения пограничного слоя набегающее-
го потока угол натекания гидродинамического потока вязкой жидкости определится по формуле
5*
Р = Ры +агсс1я —,
' I. * I
где 5* - толщина вытеснения, которую можно оценить, используя известные из теории пограничного слоя соотношения при обтекании с градиентом давления [2].
Расчетная схема угла натекания потока на лопатку: 1 - пограничный слой; 2 - лопатка
*Работа выполнена при финансовой поддержке грантов ФЦП НК-711 П.1.2.1, ГК № П231 от 23.04.2010 г. и Президента РФ № МК-1115.2010.8.
