Экспериментальное исследование теплообмена и трения в пусковом режиме энергетической установки

Цитирование: Володин Ю. Г. Экспериментальное исследование теплообмена и трения в пусковом режиме энергетической установки / Ю. Г. Володин // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2026, 19(5). С. 612–620. EDN: OCIAFK

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментального стенда

Fig. 1. Principal design of the experimental stand к плазмотрону форкамеры 2 с соплом, спрофилированным по кривой Витошинского [11]. Внутри форкамеры установлены выравнивающие решетки 3 [12], а перед ними просверлены двенадцать радиальных отверстий, через которые подается воздух, минуя плазмотрон, что позволяет варьировать величиной температуры рабочего тела и скоростью ее нарастания. К выходу сопла крепится экспериментальный канал 4, состоящий из семи секций диаметром и длиной 45 мм с толщиной стенки 0,08 мм, изготовленных из нержавеющей стали. Воздух, подаваемый в плазмотрон, поступал из ресивера, в который закачивался компрессором и проходил через фильтры грубой 12 и тонкой 13 очистки и запорно-регулировочную арматуру 10 и 11. В состав измерительно-регистрирующей системы входили первичные преобразователи, согласующие устройства и регистратор. Расход рабочего тела (воздуха) измерялся расходомером переменного перепада давления, который не входил в измерительно-регистрирующую систему. Температуры измерялись микротермопарами [13, 14] с диаметром термоэлектродных проводов 65 микронов, давления – индуктивными датчиками давления ДМИ-0,1–2 в комплекте с приборами УГ-УМ. Хромель-алюмелевой термопарой 7 измерялась температура рабочего тела на входе в экспериментальный канал. Хромель-копелевыми термопарами 6 измерялась температура стенки канала в функции продольной координаты и времени. Концы термоэлектродных проводов, раскатанные до 20 микронов, приваривались к наружной поверхности канала в середине 1-й, 3-й, 5-й и 7-й секций канала. Измерение полного давления проводилось в форкамере трубкой полного напора в форме «лебединой шеи» [15]. Касательные напряжения трения изменялись методом «трубка-выступ» [16, 17].

Результаты исследований

Экспериментальные исследования проведены в интервале среднерасходного числа Рейнольдса от 30000 до 60000. При этом температура рабочего тела в приосевой области изменялась в диапазоне Т = 293–1500 К с увеличением температуры потока до 12000 К /с и скорости потока до 700 м/с² (рис. 2). Были посчитаны среднеквадратичные погрешности [18], величины которых не превысили значений при определении температуры 0,75 %, скорости потока 1,6 %, коэффициентов трения и теплоотдачи соответственно 9,2 % и 9,5 %.

Рис. 2. Изменения во времени производных скорости и температуры потока

Fig. 2. Changes in the time of the derivatives of velocity and flow temperature

Резкое увеличение температуры газового потока в потенциальной области и скорости потока формируют тепловую и гидродинамическую нестационарности, которые, в свою очередь, изменяют величины коэффициентов трения и теплоотдачи (рис. 3–4). С изменением температуры потока изменяются теплофизические свойства рабочего тела, такие как плотность и вязкость, и, следовательно, изменяются параметры пограничных слоев и течения в целом. В динамическом пограничном слое увеличение температуры потока сопровождается изменением интегральных характеристик [19], а перестройка кинематической структуры приводит к увеличению пристеночных касательных напряжений трения [2]. На рис. 3 представлен график зависимости коэффициента трения в функции характерного числа Рейнольдса. На графике показана следующая динамика исследуемого процесса: 2500 K /c и 150 м/с² (точки обозначены ромбом), 6000 K /c и 350 м/с² (квадрат), 12000 K /c и 700 м/с² (треугольник). Увеличение температуры потока и его динамики приводят к большему нарастанию величины коэффициента трения, который определяется по выражению:

Cf _ ^Tw

2 PoWq’

Массовая скорость в знаменателе – величина постоянная по условиям эксперимента. Таким образом, коэффициент трения повторяет характер изменения касательных напряжений трения τ w . В эксперименте, кроме перепадов давления на датчиках «трубка-выступ», измерялось полное давление в форкамере P 0 ^* и статические давления в каждом контрольном сечении, – 615 –

Рис. 3. Зависимость коэффициента трения C _f от характерного числа Re^**. Цифры обозначают время: 1–0,01 с; 2–0,02 с; …; 12–0,12 с

Fig. 3. Dependence of the friction coefficient Cf from the Reynolds characteristic number Re**. The digits indicate the time: 1–0,01 с; 2–0,02 с; …; 12–0,12 с

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи St от числа Re h ^**. Цифры обозначают время: 3–0,03 с; 4–0,04 с… 12–0,12 с

Fig. 4. Dependence of the heat transfer coefficient St from the number of Reh**. The digits indicate the time: 3–0,03 с; 4–0,04 с… 12–0,12 с разность которых равна № -     . К моменту времени 0,12 с нестационарный процесс можно считать законченным, поскольку экспериментальные точки группируются около стандартной зависимости для турбулентных режимов течения.

С увеличением температуры потока формируется тепловой пограничный слой. Измеренные в эксперименте температура потока в приосевой области и температура стенки в функции продольной координаты и времени позволили определить параметры теплового пограничного слоя. Увеличение температуры потока сопровождается прогревом пограничного слоя и уве-– 616 – личением температуры стенки канала. Причем если с начала эксперимента временная произ- водная температуры стенки канала увеличивается, что вполне логично, то начиная с момента времени 0,06 с производная имеет постоянную величину, т.е. стенка канала прогревается с постоянной скоростью. Плотность теплового потока, определяемая по выражению:

также имеет постоянную величину с момента 0.06 с. Здесь Δ q _w – потери тепла, обусловленные свободной конвекцией и лучистым теплообменом, ввиду отсутствия теплоизоляции наружной поверхности канала, которые не превысили 5 %. Коэффициент теплоотдачи α определялся по закону Ньютона:

а характеризующий перенос тепла от газового потока к стенкам канала критерий Стантона выражением:

St =------.

Po^oCK) - h_w}

На графике рис. 4 кроме экспериментальных точек построены прямые: Т – стандартный закон теплоотдачи для турбулентных режимов течения:

_   0,0128

St° “ Re^'^Pr0-7'''

Л – стандартный закон теплоотдачи для ламинарных режимов течения:

°'22

St° “ Re”Pr4/3'

А – аппроксимационное выражение:

St 1 dw_a

1 1 d(Ah) Re^j* hh dt ‘

ш =__=___

^Zh St₀    Wg dt

Отслеживая перемещения экспериментальных точек, удалось определить величину производной температуры потока по времени – около 3000 градусов в секунду. С этого порога начинает снижаться величина коэффициента теплоотдачи ниже стандартного значения при увеличении температуры газового потока и уменьшении числа Re_h^**. На графике видно, что экспериментальные точки мигрируют в нижний левый угол и группируются около прямой Л. Данный факт свидетельствует о ламинаризации теплового турбулентного пограничного слоя (ТПС). Из анализа выражения (4), по которому определялась величина коэффициента теплоотдачи St, следует, что причиной ламинаризации ТПС является неизотермичность (так как массовая скорость и тепловой поток не изменяются во времени) и параметром ламинаризации следует определить температурный фактор ψ_h или температурный напор Δ T . По изменению величины последнего определены границы области ламинаризации ТПС Δ T ≥ 700 К и переходной области от 350 до 700 К .

На рис. 5 построен график, показывающий изменения величины относительного коэффициента теплоотдачи в функции временной координаты. В рассматриваемом самом динамичном режиме относительный коэффициент теплоотдачи изначально принимает наиболее макси- – 617 –

Рис. 5. Изменение во времени относительных коэффициентов теплоотдачи Ψ z_h

Fig. 5. Change in the relative coefficients of heat transfer over time Ψ z_h

Рис. 6. Изменение во времени параметра S аналогии Рейнольдса

Fig. 6. The change in time of the Reynolds analogy parameter S мальную величину. Его значения, как и в других режимах, плавно уменьшаются и, в отличие от двух других, к окончанию нестационарного процесса принимают значение 0,5.

Изменения во времени параметра S аналогии Рейнольдса представлены на графике рис. 6. Во всех трех режимах наблюдается нарушение аналогии Рейнольдса, но более существенно это имеет место в третьем режиме, когда S принимает минимальную величину, равную 0,38. Затем ситуация несколько улучшается с небольшим увеличением параметра. В целом в рассмотренной ситуации можно констатировать нарушение аналогии Рейнольдса, в особенности при высокой динамике нарастания температуры газового потока, и, как следствие, существенное снижение эффективности переноса тепла до 50 с лишним процентов. Следует отметить, что в рассмотренном процессе резкого увеличения температуры газового потока коэффициент трения, как видно на рис. 3, консервативен к происходящему в тепловом пограничном слое.

Выводы

При резком увеличении температуры газового потока формируются тепловая и гидродинамическая нестационарности, причем чем выше динамика процесса, тем сильнее проявляются эффекты нестационарности, которые совместно с неизотермичностью создают – 618 – условия по снижению эффективности теплоотдачи. Факт снижения интенсивности переноса тепла весьма важен во многих отраслях промышленности, особенно при определении теплонапряженных участков в конструкциях и элементах как энергосиловых установок, так и теплообменных и технологических аппаратов, и решении вопросов от перегрева этих участков.