Гидродинамика и теплообмен в системах несимметричных импактных газовых струй

В современных высоко энергетических установках и агрегатах в некоторых узлах требуется передача мощных тепловых потоков от газа к поверхности. Одним из эффективных способов организации теплообмена между газом и твердыми телами является применение импактных струй, ориентированных по нормали к поверхностям. Этим вызвано широкое применение струй в самых разнообразных технологических процессах и устройствах, где они зачастую предопределяют уровень качества рабочего процесса или характеристик аппарата.

Однако в широком ряде случаев, в частности, камерах сгорания, горнах агломашин и т. п., уже достигнутая интенсивность теплоотдачи еще не достаточна, и проблема усиления теплопереноса с одновременным снижением энергозатрат на прокачку теплоносителя в струйных потоках остается весьма актуальной.

Гидродинамике и теплообмену в системах газовых импактных струй посвящен ряд монографий и большое число журнальных статей. Однако все они посвящены осесимметричным струям. В то время как в работе [3] показано, что при изменении формы поперечного сечения канала на несимметричную в одиночных импактных струях наблюдается значительное усиление теплоотдачи (до 80%), вследствие возникновения дополнительных турбулентных перетоков в пристенном слое.

На этом основании следовало предположить, что данный эффект интенсификации теплопереноса будет возникать и в системах несимметричных, отсюда целью настоящей работы является экспериментальное исследование гидродинамики и теплоотдачи в таких системах импактных струй.

Прежде всего следует уточнить используемую в работе терминологию: струи вытекающие из сопел, форма поперечного сечения которых имеет форму круга — симметричные струиструя, образованная соплом, поперечное сечение которого не имеет полной симметрии [4], — не симметричные струиструктурное образование, возникающее при натекании струи на преграду, в области критической точки — циркуляционный рассекательобласть, в которой происходит столкновение вторичных пристенных струй — зона взаимодействия.

В диссертации представлены результаты исследований турбулентных струй, образованных регулярными системами сопел. Под регулярными подразумеваются такие системы струй, в которых на каждом шаге сохраняются неизменными геометрические, включая ориентацию сопел, и скоростные параметры.

Для выявления структурных гидродинамических образований использовались теневые методы и методика, основанная на инерционном осаждении частиц естественной пыли из воздуха на поверхность [3]. С целью повышения информативности теплерограмм и пылевых следов применен метод зонального разложения изображения [5]. Изучение процесса теплоотдачи проводилось методом регулярного режима. 6].

Научная новизна главных положений работы заключается в том, что автором впервые:

— получены экспериментальные данные о поле давления на преграду регулярной системы струй, истекающих из сопел, форма поперечного сечения которых не имеет полной симметрии;

— обнаружен эффект изменения конфигурации течения во вторичных веерных струях разной формы, растекающихся по преграде;

— теоретически обоснована и на основе экспериментальных данных, полученных путем комплексного анализа полей давления, теплерограмм и пылевых следов, уточнена гидродинамическая схема по парного взаимодействия вторичных веерных струй вблизи преграды при объединении импактных струй в комплексы, позволившая объяснить ряд закономерностей локального и среднего теплообмена в этих потоках;

— получены гидравлические характеристики струйных аппаратов с несимметричными импактными струями;

— проведены статистические исследования влияния скоростных и геометрических параметров на теплообмен с преградой систем несимметричных импактных струй, и получены уравнения подобия обобщающие эти данные;

— установлено, как влияет на теплообмен создание перфорации в стенке тупика, куда истекает импактная струя.

Достоверность результатов основывается на надежности экспериментальных данных, полученных путем сочетания независимых методик исследованияхорошей воспроизводимости результатов опытов и согласовании с литературными данными других авторов.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные создают основы для разработки инженерных методик расчета аппаратов с системами импактных струй, а также позволяют осуществить оптимальный выбор организации струйных течений, что в совокупности с предложенными конструктивными решениями дает возможность повысить качество проектирования новых энергетических устройств.

Автор защищает:

— результаты экспериментального исследования поля давления на преграду систем газовых струй, сформированных каналами, имеющими круглую, квадратную и треугольную формы поперечного сечения;

— экспериментальные данные о структуре течения в пристенном слое указанных выше систем импактных струй, полученных путем анализа пылевых следов на преграде;

— основанные на анализе полей давления и пылевых следов новые физические представления о механизме интенсификации теплообмена систем струй с преградой при изменении формы поперечного сечения канала;

— результаты экспериментального исследования теплообмена с преградой регулярных систем газовых струй и их обобщение в виде критериальных уравнений для сопел с круглой, квадратной и треугольной формами поперечного сечения;

— данные о влияния перфорации в боковой стенке тупика на теплообмен газовой импактной струи с поверхностью такой полости.

Реализация результатов работы:

Екатеринбургским филиалом корпорации «Объединенные машиностроительные заводы» (г. С.-Петербург) разработана с использованием расчетной методики автора конструкция струйного охлаждения малогабаритных горнов с прямым зажиганием шихты для ряда агломашин.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены на Втором и Третьем Всероссийских научных молодежных симпозиумах «Безопасность биосферы» (Екатеринбург, 1998, 1999) — на Международной выставке-семинаре «Уралэкология» (Екатеринбург, 1999) — XII и XIII Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Москва, 1999) и «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (С.-Петербург, 2001) — 4-м Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 2000) — на Шестой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2000) — на Второй международной научно-технической конференции РУО АИН РФ «На передовых рубежах науки и инженерного творчества» (Екатеринбург, 2000) — 5th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics (Thessaloniki, 2001) — на международной научно-практической конференции «Агломерация. Высокоэкономичная технология, надежное и высокопроизводительное оборудование» (Екатеринбург, 2001).

В заключительной главе диссертации даны сведения о практическом применении результатов исследований.

Список литературы

в конце диссертации не является исчерпывающим. В него включены те литературные источники, указание на которые важно для понимания сути использованных экспериментальных и теоретических методов, формирования целостного представления о месте данной работы в общем ряду исследований и для представления некоторых особенностей практического применения результатов работы.

Ниже перечислены по главам диссертации те лица, результаты совместной работы с которыми вошли в эти разделы: 3 гл. — Старцев В.В.- 5 гл. — Скачкова С. С., Коновалов М.Ю.

Диссертационная работа была выполнена на кафедрах «Турбины и двигатели» и «Теоретическая теплотехника» Уральского государственного технического университета-УПИ, она проводилась в соответствии с координационным планом АН России по проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» № ГР 1 840 005 222 (Программа Минвуза «Человек и окружающая среда»).

Автор выражает благодарность своему научному руководителю, заведующему кафедрой «Турбины и двигатели», д.т.н. профессору Бродову Ю. М., научному консультанту, к.т.н. доценту Жилкину Б. П. за доброжелательное отношение и критические замечания, высказанные в процессе обсуждения работы.

1.4. ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Из представленного обзора литературных данных можно сделать вывод, что наиболее полно изучены осесимметричные импактные струи. Установлено, что усиления теплоотдачи в таких струях можно добиться, воздействуя на начальное течение (установка пассивных и активных турбулизаторов, наложение акустических воздействий, вдувом в струю радиальных струи, вводом твердых частиц и т. п.). Однако все эти способы дороги и сложны в исполнении, а некоторые и невозможно применить на промышленных установках. Наиболее перспективным способом усиления теплообмена в импактных струях является использование сопел, не имеющих полной симметрии [3]. Интенсификация теплоотдачи в таких струях достигается за счет того, что при соударении несимметричной струй с преградой на ее поверхности образуется сложное поле давления с высокой степенью.

33 неравномерности. В результате чего у поверхности преграды образуются дополнительные турбулентные перетоки, вызывающие усиление теплоотдачи.

При этом в литературе практически отсутствуют данные по системам таких струй.

Одним из наиболее теплонапряженных устройств являются горелки различных модификаций, конструктивные элементы которых в высокотемпературных технологиях часто подвержены перегреву.

Исходя из проведенного литературного обзора и учитывая цель исследования, можно сформулировать следующие задачи :

1. Изучить структурно-гидродинамические факторы теплоотдачи в системах несимметричных импактных струй.

2. Определить зависимость гидравлического сопротивления в системах импактных струй от различных параметров.

3. Исследовать влияние на теплоотдачу формы струеобразующего канала в комплексах импактных струй в различных геометрических и режимных условиях.

4. Рассмотреть возможность практического применения несимметричных импактных газовых струй в горелочных устройствах и теплообменных аппаратах.

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА СИСТЕМ ИМПАКТНЫХ СТРУЙ.

Исследование теплоотдачи в системах импактных струй разной формы проводилось по классическому методу регулярного режима [6].

При использовании регулярного режима основной измеряемой величиной является темп охлаждения. Для его определения достаточно ограничиться определением температуры в одной произвольной точке исследуемого тела. При этом тарировка термопары не обязательна, если зависимость термо-э.д.с. от температуры является линейной. К недостаткам данной методики следует отнести необходимость тщательной реализации ряда предпосылок: постоянстве температуры среды во время опыта, создание условий В1<0,1, существование линейной характеристики термопары.

Схема экспериментальной установки. Для проведения исследований системы импактных струй, учитывая все выше описанные особенности регулярного режима, была спроектирована и смонтирована экспериментальная установка, представленная на рис. 2.1.

Подача воздуха осуществлялась ротационной воздуходувкой 1. Расход воздуха регулировался клапаном 2, а определялся по ротаметру 4. Для поддержания постоянной температуры воздуха использовался теплообменный аппарат 3, он же играл роль и ресивера. Подвод воздуха в дутьевую камеру 5 осуществлялся с четырех сторон, что обеспечивало высокую степень равномерности начального истечения. Давление в дутьевой камере измерялось и-образным манометром 6. В верхнюю крышку дутьевой камеры ввернуты 25 патрубков 7, которые соединялись со сменными соплами-каналами 9 (рис. 2.2) посредством резиновых трубочек.

10 >20.

Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки: 1 — ротационная воздуходувка- 2 -регулирующий клапан- 3 — теплообменник- 4 — ротаметр- 5 — дутьевая камера- 6−11-образный манометр- 7 — патрубки- 8 — фторопластовый теплоизолятор- 9 — сменные сопла-каналы- 10 — датчик для изучения поля давления- 11 — стальные капилляры- 12 — блок микроманометров- 13 — медная пластина-датчик- 14,15 — термопары- 16 -термостат- 17 — операционный усилитель- 18 — ЭВМ- 19 — основная плита- 20 подвижная вставка датчика давления.

Рис. 2.2. Сменные сопла-каналы.

Каждая из резиновых трубочек имела регулируемый зажим, используемый для точного выравнивания начальной скорости истечения воздуха из сопел. В качестве преграды использовалась стеклотекстолитовая плита 19, имеющая сквозное квадратное окно (240*240 мм) для установки различных датчиков. Основная плита имела микрометрическую подачу в продольном направлении.

Выбор длина профилированной части сменных сопел-каналов, равной Ю^э, обусловлен тем, что при длине канала более 8 с1э происходит выравнивание течения [17].

Гидродинамика. Для исследования гидродинамических характеристик струйной системы использовался датчик давления 10, в котором размещалась подвижная вставка 20, имеющая микрометрическую подачу в поперечном направлении. Перемещение подвижной вставки фиксировалось при помощи часового индикатора марки КИ. В подвижной вставке просверлены 10 сквозных отверстий, в которые заподлицо с поверхностью, обращенной к соплам, установлены стальные капилляры 11 с внутренним диаметром 0,5 мм. Капилляры через резиновые трубки соединялись с блоком микроманометров 12. Микрометрическая подача обеспечивала перемещение основной плиты на 400 мм с шагом 0,25 мм, а подвижной вставки ступенчато 17×10мм= 170 мм с шагом 0,01 мм.

Теплоотдача. Для исследования процессов теплоотдачи использовались пластины-датчики 11 из электролитической меди, имеющие размеры в плане 100×100×5, 170×170×5, 240×240×5 мм соответственно для шагов между сопел 5*=3, 5, 7, что обеспечивало постоянство числа струй в комплексе.

Датчики устанавливались в окно основной плиты 17 через специальные переходные проставки в зависимости от размера датчика. Противоположная рабочей сторона каждого датчика была покрыта слоем фторопласта толщиной 3 мм, а боковые поверхности изолировались основной стеклотекстолитовой плитой 19, поэтому утечки тепла были незначительными (менее 4%). Температура датчика измерялась при помощи медь-константановой термопары 12. Такая же термопара 13 была установлена в дутьевой камере 5. Сигнал с обоих термопар через усилитель 15 поступал на вход аналого-цифрового преобразователя РСЬ-818, установленного в персональном компьютере 16.

В начале главы были указаны необходимые условия, при которых реализуется требуемый регулярный режим: постоянство температуры воздуха обеспечивалось при помощи теплообменного аппарата (см. гл. 5, раздел 3) — для обеспечения второго условия режима в качестве материала пластины-датчика была выбрана медь с высоким коэффициентом теплопроводности, что обеспечивало 0,003, для регистрации темпа охлаждения датчика использовалась медь-константановая термопара, выбор которой основан на линейности ее характеристики, а также родством с материалом датчика. В качестве подтверждения того, что в опыте реализуется регулярный режим на рис 2.3 представлена зависимость изменения 1п (/-?в) во времени т, где / -текущая температура датчика, ¿-в — температура воздуха в дутьевой камере.

Рис. 2.3. Зависимость изменения In (t-te) во времени т.

Для проведения опытов в пакете программ «Genie» была создана схема измерения и обработки экспериментальных данных. Активное окно программы представлено на рис. 2.4.

Напряжение с термопары 200 ^.

Рис. 2.4. Активное окно программы для определения коэффициента теплоо’гдачи.

Величина ЭДС обеих термопар фиксировались измерительной схемой с частотой два замера в секунду, а показания микроманометра АР вводились в программу в ручную. При достижения температуры 150 °C начинался отсчет времени, который останавливался при температуре датчика 50°(Расчетная температура воздуха определялась как средняя температура воздуха в тутьевой камере за время опыта. Далее рассчитывался коэффициент теплоотдачи, а затем критерий N11.

Поскольку суммарное термическое сопротивление фторопластового теплоизолятора и зоны контакта ее с медной пластиной (последнее оценивалось по [57]) значительно превышало термическое сопротивление пластины-датчика. тепловой поток от фторопластового изолятора к медной плагины является незначительным и в качестве определяющего размера для критериев в уравнении:

ГлВгГо.

3 = е.

2.1) где В1.

СХ-/.

— число БиоБо = шело Фурьеявляется толщина медной пластины-датчика.

Все полученные значения N11 и АР сводились в общую базу данных, где происходило обобщение экспериментальных данных и расчет эмпирических коэффициентов для критериальных уравнений.

Опыты по определению средней интенсивности теплоотдачи импактных газовых струй проводились сериями, в которых менялся один из параметров: форма сечения сопел, скорость натекания струй на преграду расстояние от среза сопла до преграды, шаг между соплами с одновременной заменой пластины-датчика с другими размерами.

2.2. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА.

Оценка систематической погрешности в исходных данных производилась согласно [58] по процедурной погрешности. В свою очередь оценка э для расчетных величин осуществлялась по соотношениям [59] между среднеквадратичными ошибками исходных и расчетных данных. Результаты расчетов оценки максимальной относительной систематической погрешности 8тах основных величин приведены в таблице 2.3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенный комплекс исследований позволяет сделать следующие основные выводы:

1. Экспериментально установлено существенное различие в топографии полей давления, создаваемых на преграде натеканием систем импактных газовых струй, сформированных каналами с круглой, квадратной и треугольной формой поперечного сечения. Последние два типа сопел характеризуются полями давления с большими значениями градиентов, влияющих на течение в пограничном слое.

2. Обнаружен эффект изменения конфигурации течения во вторичной веерной струе, выражающийся в том, что у поверхности преграды возникают гидродинамическое образование повторяющее форму струеобразующего канала, но повернутое относительно положения сопла на угол 180°/п, где пчисло сторон многоугольника.

3. Теоретически построена и на основе экспериментальных данных, полученных путем комплексного анализа полей давления, теплерограмм и пылевых следов, уточнена гидродинамическая схема парного взаимодействия вторичных веерных струй на преграде при объединении импактных струй в комплексы, которая позволила объяснить ряд закономерностей теплообмена в таких потоках.

4. Экспериментально получены данные по гидравлическому сопротивлению в струйных аппаратах с несимметричными струями, которые обобщены критериальным уравнением;

5. В итоге обобщения экспериментальных данных для регулярных систем струй, истекающих из каналов с формой поперечного сечения в виде круга, квадрата и равностороннего треугольника, получены критериальные зависимости среднего числа Нуссельта от чисел Рейнольдса, Прандтля, относительных расстояний и шага между соплами. Установлено, что применение несимметричных сопел для создания систем импактных струй.

100 позволяет интенсифицировать теплоотдачу до 50%.

6. Показано, что при истечении импактной струи в полость с перфорацией боковых стенок интенсивность средней теплоотдачи снижается по сравнению с затопленной импактной струей той же формы как у симметричны, так и у несимметричных соответственно в 2,5 и 5 раз.

7. Материалы диссертационной работы внедрены при проектировании струйного охлаждения аглогорна и форсунки газовой горелки, а также создана технологичная конструкция теплообменника «газ-жидкость» с импактными струями.