Теплоотдача и сопротивление высокопористого материала
Автор: Кирсанов Юрий Анатольевич, Назипов Рустем Альбертович, Иванова Екатерина Ивановна, Жукова Светлана Юрьевна
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Физика и электроника
Статья в выпуске: 4-1 т.14, 2012 года.
Бесплатный доступ
Даются уточненные математическая модель структуры высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ) и модели теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в ВПЯМ. Произведена обработка результатов экспериментальных исследований гидродинамического сопротивления и внутренней теплоотдачи в ВПЯМ. Полученные результаты обобщены критериальными уравнениями, которые учитывают влияние как числа Рейнольдса, так и относительных параметров, характеризующих индивидуальные особенности пористой структуры пористого материала.
Пористое тело, каркас, геометрия, модель, теплофизические свойства, теплоотдача, гидродинамическое сопротивление
Короткий адрес: https://sciup.org/148205760
IDR: 148205760
Текст научной статьи Теплоотдача и сопротивление высокопористого материала
Пористые материалы хорошо зарекомендовали себя в системах охлаждения теплонапряженных узлов ракетных и газотурбинных двигателей, лазеров, атомных реакторов [1-3]. В системах, где существуют жесткие ограничения на гидравлические потери теплоносителей, как например в рекуперативных теплообменниках, более целесообразным является применение высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ), технология изготовления которых разработана в Научном центре порошкового материаловедения ПНИПУ (г. Пермь) [4, 5].
Теоретической базой применения ВПЯМ в теплообменных аппаратах служат:
-
- математическая модель геометрической структуры ВПЯМ (геометрическая модель);
-
- математические выражения для эффективных теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в пористом материале (теплофизическая модель);
-
- математическое описание температурных полей в каркасе и потоке теплоносителя (модель тепловых процессов);
-
- данные о теплогидродинамических характеристиках пористого материала.
Геометрическая и теплофизическая модели ВПЯМ предложены в работе [6]. Модель тепло- Кирсанов Юрий Анатольевич, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник.
вых процессов в пористом цилиндре, охлаждаемом однофазным теплоносителем при неизменной по длине цилиндра температуре образующей поверхности рассмотрена в работе [7], а при изменяющейся в продольном направлении температуре образующей поверхности – в работе [8]. Методика исследования теплогидродинамических характеристик пористых материалов описана в работе [7].
Тщательный анализ геометрической модели структуры ВПЯМ [6] выявил неточность в принятых допущениях, негативно отразившуюся на теплофизической модели и определении температурных полей в каркасе и потоке теплоносителя. Целью данной работы является устранение указанной неточности и экспериментальное получение теплогидродинамических характеристик ВПЯМ.
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВПЯМ
Основным структурным элементом ВПЯМ является ячейка, представляющая собой по форме вытянутый эллипсоид вращения. Укладка ячеек близка к плотной упаковке шаров с 12 соседними ячейками, т.е. каждая пора в среднем имеет 12 отверстий (рис. 1, а ) [9].
Геометрическая модель ВПЯМ построена при следующих допущениях [6]:
-
- пористая структура однородна по всему объему;
-
- все поры сквозные, то есть глухих (непроходных) пор в пористом материале нет;
-
- пористая ячейка представляет собой комбинацию сферических пор диаметром d сф и соединительных каналов диаметром d к ;
-
- центры 4-х ближайших сферических пор
Рис. 1. Структура ВПЯМ:
а ) – ячейка ВПЯМ; б ) – внешний вид икосаэдра; б) – тетраэдрическая модель; 1 – сферическая пора; 2 – соединительный канал; в) – проволочная модель
Рис. 3. Многогранник из 5 тетраэдров
Рис. 2. Икосаэдр
Рис. 4. Геометрия пор
располагаются в вершинах тетраэдра на одинаковом расстоянии l друг от друга, а радиальные ребра тетраэдра являются осевыми линиями соединительных каналов (рис. 1, б );
-
- 20 тетраэдров с общей центральной сферической порой образуют многогранник, имеющий 12 внешних вершин, каждая из которых является центром сферической поры.
Согласно этой модели, называемой тетраэдрической, центральная пора сообщается 12 каналами (отверстиями) с ближайшими 12-ю соседними порами, что соответствует реальной ячейке, показанной на рис. 1, а . Тетраэдрическая модель ВПЯМ позволила при заданных значениях диаметров сферы d сф и канала d к получить формулы для таких характеристик пористости, как объемная пористость Е v , эквивалентный гидравлический диаметр пористости d э , удельная поверхность f ск и эквивалентная толщина скелета З ск (рис. 1, в ), удельная площадь поперечного сечения каркаса Е ск и др.
Полученные в работе [6] формулы для характеристик пористости являются приближенными. Неточность заключается в том, что многогранник из 20-ти тетраэдров имеет объем, меньший, чем икосаэдр (рис. 2), у которого радиус описанной сферы совпадает с длиной ребра тетраэдра l . Причиной тому является то обстоятельство, что икосаэдр представляет собой комбинацию не из тетраэдров, а из многогранников, образованных из 20 пирамид, основанием каждой из которых является равносторонний треугольник со стороной a (рис. 2), а боковые или радиальные ребра, сходящиеся в центре икосаэдра, имеют длину [10] l - a -J2(5 + V5)/4 = 0,951 • a .
Угол между боковыми гранями пирамид в икосаэдре равен g = 2p/5 = 72°. У тетраэдра угол между боковыми гранями составляет Y tet - 69 о 5'41" , то есть Y tet < Y , и поэтому при сложении 5 тетраэдров между гранями остается зазор Ay (рис. 3). Другими словами, в ранее рассмотренной тетраэдрической модели [6] занижен относительный объем каркаса в ВПЯМ.
Для уточнения формул, определяющих характеристики пористости ВПЯМ, рассматривается икоса-эдр1, состоящий из 20 одинаковых пирамид, основанием каждого из которых является равносторонний треугольник со стороной a , а боковые или радиальные ребра имеют длину l . Вершины пирамид находятся в центре центральной сферической поры.
В икосаэдре выделяется контрольный элемент в виде третьей части пирамиды с одним радиальным ребром длиной l 2 . Контрольный элемент включает в себя 1/60 часть центральной поры за вычетом сектора y - 2 л/ 5 сферического сегмента2 высотой h - ( d с ф - ^ d с 2ф - d , )j 2
(рис. 4), опирающегося на канал диаметром d к , и такого же сектора соединительного канала диаметром d к и длиной ( l - d сф)/ 2 + h .
Объем икосаэдра с ребром основания a составляет [10]
V„ „ - 5 ( 3 +) a 3 - 40 ^ 3 + , l 3 - 2,536 - 1 3
12 372 ( 5 + 75 ) 32 .
Объем контрольного элемента составляет 1/60 часть объема икосаэдра с длиной радиального ребра l 2 :
из-да расхождений функций F 1 ( d к, l ) и F 2 I d к, l ) • Расхождения составляют, примерно, 32 % при E v = 0,8 и 27 % при е v = 0,966.
Удельная поверхность пористой структуры равна отношению площади поверхности пор, заключенных в контрольном элементе, к объему этого элемента:
„ S nop 3У2 л ( 5 + х5 ) F ( d к , l )
f ск - Г -^Г Й3 F 2 ( d к , l )- 991 ' 3 ,(3)
^ к.эл 5 d eф ( 3 + 75 )? d^l
у =_____ 3 + 5 _____/3 = 5 284 • 10 -3 /3
Г к.эл у 2 1 5,284 10 l ,
36V2 (5 + V5 )
что, примерно, в 1,076 раз превышает объем контрольного элемента тетраэдрической модели, рассмотренной в [6].
Объем пор, заключенных в контрольном эле-
что, примерно, в 1,86 раз больше значения этой величины по тетраэдрической модели [6].
Путем замены скелета эквивалентным ему по объему Vск - ( 1 — e v ) V к эл и площади поверхности S пор проволочным каркасом (рис. 1, в ) получается формула для эквивалентного диаметра скелета:
менте:
V пор
1 d
60 6
+1 « к (d + h
5 4
«h 2 С 3 , I- ”3" I2 d<
« d 3,
= ^ Fd-l , h 1
где
Fd к , l , h ) - 1 + 9 d $ — 1 + 2 h ) — 12 h 2 3 2 h ) = (1 - d рд/1 - d k — 9 l | + 9 l - 5 ; d к - dк!d сф ; l - l/d сф ; h - hid сф .
Поверхность пор, заключенных в конт-
рольном элементе:
X . «dk пор 60 5
( l — de;u ^
«dKI----сф + h I -кd^h к 2 сф
« d 2,
- —сф F ( d к , l )
60 2 к ,
где F 2 ( d к , l ) - 1 + 6 d к ( l — 1 + 2 h ) — 12 h . 3
Объемная пористость представляет собой отношение объема пор V пор к объему контрольного элемента V к.эл :
e v = V nop/ V™ = b F d к , l , h )/ 1 3 . (1)
где
b 1 -

- 1,652
.
Эквивалентный гидравлический диаметр пористости d э определяется как отношение учетверенного объема пор к их поверхности:
d = 4 V nop. = 2 F i ( d • - 1 - h ) d
’ S nop 3 F 2 ( d к , l ) сф •
Значения d э по формуле (2) меньше аналогичных значений по тетраэдрической модели [6]
3 В тетраэдрической модели [6] функция F 2 ( d к, l ) занижена из-за сокращения длины соединительного канала на высоту сферического сегмента h .
4У 20 (з+Vs) (1—ev)dj3 (1—ev)dcJ dc = V - 20 P+v5/ v -w«сф -0^4036 "w«сф .(4) ск Snop 3eV2 (5+x5);’ F2(dк, I) F2(dк, I)
Относительная площадь поперечного сечения скелета еск есть отношение площади поперечного сечения проволочного каркаса (рис. 1,в), заключенного в кубе единичного объема, к площади одной из граней этого куба, то есть к 1 м2. Длина проволочного каркаса, заключенного в единичном кубе, составляет lпр - f:к / («dск ) , м/м •
На одно измерение (координату) приходится 1/3 часть этой длины и поэтому количество проволок единичной длины, приходящееся на одно измерение, равно
N пр - l пр /3 - f ск /(3 « d ск ) , 1/м2.
Площадь поперечного сечения Nпр проволок равна относительной доле поперечного сечения каркаса е - fск «dс2к - fск dск ск 3«dCK 4 12 .
ск
После подстановки сюда формул (3) и (4) получается формула для е ск при условии, что каркас не жесткий, то есть гибкий, так как он не содержит узлов, поскольку “проволоки” разных измерений не пересекаются друг с другом: е„ - 4 ( 1 — е , )/( 5 + 75 f2 - ( 1 — e v )/ 4,866 . (5)
В случае каркаса с жесткой структурой, образованной пересекающимися друг с другом проволоками разных измерений, в местах пересечения проволок будут расположены узлы, количество которых равняется общему количеству проволок единичной длины. Суммарная длина, а отсюда – и количество проволок в единичном кубе N пр в этом случае возрастет по сравнению
с предыдущим случаем в з/( 3 — 2 d ск j раза из-за того, что на образование одного узла придется длина, равная 1/3 диаметра скелета d ск одного измерения, а 2/3 длины узла покроются за счет длины проволок двух других измерений. В результате формула для относительной площади поперечного сечения жесткого скелета принимает вид к — / '' 1—- - ".-i-1 v
-
( 5 + V5 У 3 — с2 d ск 3 2 d ск .
Уточнение относительного объема каркаса икосаэдрической моделью ВПЯМ привело к тому, что при фиксированных величинах E v и d сф значения d э сократились, а диаметр перемычек d ск и удельная поверхность f ск увеличились; значения Е ск благодаря росту d ск несколько возросли при малых значениях E v и остались теми же при больших значениях E v .
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВПЯМ
Формулы (1)-(6) включают в себя (помимо h , которая выражается через dк ) 7 величин: E v, I. d к - dэ - dск - fск и Еск - две из которых должны быть заданными, т.е. независимыми. На практике независимыми могут быть объемная пористость E v, диаметр пор dсф и межцентровое расстояние l .
При фиксированном значении l величина d к определяется из уравнения, получаемого из формулы (1):
-
6 x 3 — 9 lx 2 + 9 1 — 5 — b 2 — 0 , (7)
где x — V 1 — d к ; b 2 — e v l3 (bx .
Уравнение (7) может иметь от одного до трех вещественных корней. Из них физический смысл имеет тот, который удовлетворяет условиям:
-
0 < d к , d э < 1 ; f ск > 0 . _ (8)
Найденная таким образом величина dк вместе с известными значениями E v и i позволяет по формулам (2Н4), (6) вычислить dэ - dск - fск и Еск .
Выполнение условий (8), как и возможность определения остальных параметров пористости, во многом зависит от точности измерения независимых параметров. При правильной геометрической форме пористого образца (цилиндра, призмы) наиболее точно определяется величина E v . При тщательных измерениях массы и размеров образца погрешность измерения E v не превосходит долей процента. Величина d сф вычисляется как среднестатистическое значение измеренных диаметров пор на поверхности образца. При d сф ~ 10-3 м погрешность измерения этой величины не превышает нескольких процентов. Наименьшей точностью измерения характеризуется величина l , так как положение центров пор приходится оценивать “на глазок”.
Для оценки диапазона возможных значений l по уравнению (7) были вычислены ее минимальные и максимальные значения (нижняя и верхняя границы) при разных значениях объемной пористости в диапазоне 0,78 < E v < 0,98. Вычисленные значения затем были аппроксимированы функциями:
l min — 1,9216 — 1,0946 -e v + 0,3554 -e ^ ;
l max — 3,1721 — 2,5882 -e v + 0,8705 -e ^ .
В табл. 1 представлены граничные значения наиболее важных для расчета теплового состояния геометрических характеристик ВПЯМ, рассчитанные при l ниж — 0,99 -lmin + 0,01 -1max
-
и l верх — 0,01 - 1 min + 0,99 - 1 max .
Из табл. 1 видно, что границы изменения характеристик практически смыкаются при E v = 0,80, а при E v ^ 1 разность между верхней и нижней границами в о зрастает. Наибольшая разность наблюдается у d э и f ск d сф , достигая, примерно, + 2,5% от середины диапазона при E v = 0,98. Отклонение d ск при E v = 0,98 от его среднего значения составляет приблизительно
Таблица 1. Диапазоны изменения характеристик пористости ВПЯМ
E v |
l ниж |
l верх |
d э при |
f ск d сф при |
d ск при |
E ск при |
||||
l ниж |
l верх |
l ниж |
l верх |
l ниж |
l верх |
l ниж |
l верх |
|||
0,80 |
1,2772 |
1,6548 |
0,6172 |
0,6175 |
5,1846 |
5,1824 |
0,1543 |
0,1544 |
0,0458 |
0,0458 |
0,86 |
1,2465 |
1,5866 |
0,6222 |
0,6324 |
5,5289 |
5,4395 |
0,1013 |
0,1030 |
0,0309 |
0,0309 |
0,92 |
1,2184 |
1,5246 |
0,6275 |
0,6481 |
5,8645 |
5,6780 |
0,0546 |
0,0564 |
0,0171 |
0,0171 |
0,98 |
1,193 |
1,4688 |
0,6315 |
0,6648 |
6,2074 |
5,8964 |
0,0129 |
0,0136 |
0,0041 |
0,0041 |
+ 1,5%; на Е ск величина 1 практически не оказывает влияния.
Сравнительно небольшие диапазоны изменений наиболее важных геометрических характеристик пористости ВПЯМ дают возможность использовать их значения, соответствующие средней ве л ичине относ и тельного межцентрового расстояния 1 ср - ( 1 min + 1 max у 2 , аппроксимированные со средним квадратическим отклонением о :
dэ.ср - 0,3573+ 0,2923-ev, f.dсф)ср - 2,402+3,772-Ev, dск.ср -0,7481-0,7527-Ev, о- 2,3 -10-4;
о- 8 - 10 - 3 ;
(9) о- 1,8 - 10 - 3 .
Значения Е ск рассчитываются по формуле (6).
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВПЯМ
Для расчета режимов теплопереноса в пористых структурах необходимы данные о геометрических и теплофизических свойствах этих структур. К теплофизическим свойствам относятся теплопроводность, плотность и теплоемкость пористой структуры и фильтрующегося сквозь нее теплоносителя.
Существуют различные подходы к оценке теплофизических свойств пористых материалов. В работах [11, 12] свойства каркаса (скелета) материала оцениваются совместно со средой, заполняющей поры. Такой подход оправдан тогда, когда заполняющая поры среда неподвижна и процесс переноса теплоты сводится только к теплопроводности материала, например, при оценке его теплоизолирующей способности. В случаях, когда через пористый материал течет теплоноситель, приходится учитывать его теплообмен с поверхностью пор в самом пористом материале, и тогда необходимы сведения о свойствах отдельных участников процесса переноса теплоты – каркаса и теплоносителя.
Плотность и объемная теплоемкость каркаса являются линейными функциями объемной пористости [11, 12]:
_ р ск - 1 -Е v , ( р С ) ск - 1 -Е v . (10) где р ск - р ск /р мат ; р ск - эффективная плотность каркаса, кг/м3; р мат - теплопроводность материала каркаса, кг/м3; р c - объемная теплоемкость, Дж/(м3К); c – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К).
По теплопроводности наибольшее число данных в литературе относится к низкопористым структурам. Так, относительную эффективную теплопроводность каркаса в случае щелевой и щеточной структур предлагается оценивать по формуле [3]
X ск - 1 - Е v ,
где X ск - X ск /X мат ; X ск - эффективная теплопроводность каркаса, Вт/(м2К); X мат - теплопроводность материала каркаса, Вт/(м2К).
Для канальной пористости рекомендуется соотношение [3, 13]
X ск - ( 1 -Е v )/( 1 + Е v ) . (12)
Для спеченных зернистых, волокнистых и сетчатых материалов, трубчатых структур наряду с соотношением (12) применяют формулу [3, 12]
X ск - ( 1 -Е v )/( 1 + Е v ) 2 . (13)
Для ВПЯМ В.Н. Анциферов и сотр. [13] предложили зависимость
X ск - ( 1 -Е v )/ 5 .
В работе [6], исходя из физических соображений, предложено относительную эффективную теплопроводность каркаса принять пропорциональной относительной площади поперечного сечения каркаса, то есть X ск - Е ск . Тогда согласно формулам (5) и (6) выражения для относительной эффективной теплопроводности каркаса ВПЯМ с гибкой и жесткой структурами:
Xск -(1 -еv)/4,866,(15)
-
- 1 - Е„
X ск - 0,616----=^ .(16)
-
3 - 2 d ск
Зависимости эффективной теплопроводности каркаса от объемной пористости по выраже н иям (11)-(16) с подстановкой в формулу (16) d ск.ср из (9) показаны на рис. 5. Из рис. 5 видно, что в диапазоне Е v > 0,8 значения относительной эффективной теплопроводности каркаса ВПЯМ, вычисленные по формулам (14), (15) и (16) практически совпадают друг с другом. Близ-

Рис. 5. Относительная эффективная теплопроводность каркаса по формулам: 1 – (11); 2 – (12); 3 – (13); 4 – (14); 5 – (15);
6 – тетраэдрическая модель [6]; 7 – (16)
ки к ним и значения X ск , получаемые по формуле (13), чего нельзя сказать о значениях X ск по формулам (11) и (12). Значения X ск по тетраэдрической модели, рассмотренной в работе [6], при Е v - 0,8 превышают значения, получаемые по формуле (16), примерно на 80 %.
Относительные эффективные теплофизические свойства теплоносителя в пористом материале исходя из физических представлений логично определять по формулам:
Р f,эф - Е v , ( Р c ) f,эф - Е v ,
X фэф - 1 -Е ск , (17) где p f,эф - р f,эф /pf ; ( р c ) f,эф - ( р c ) f,эф/( р c f ; X f,эф - X f э ф /X f ; p f , ( р с ) f и X f — свойства теплоносителя вне пористого материала.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВПЯМ
Методика исследования гидродинамического сопротивления и внутренней теплоотдачи пористого цилиндра диаметром D ц и длиной l т описана в работе [7]. Геометрические характеристики исследованных 11 цилиндрических образцов ВПЯМ диаметром D ц и длиной l т рассчитаны по формулам (9) и (6) и представлены в табл. 2.
Коэффициент сопротивления пористых тел рассчитан по формуле
С
dэ
2 А p d э
Р f W f2 l т ’
где Аp - разность давлений теплоносителя до и после пористого тела, Па; wf - wf,o /(1 - Е ск ) -скорость фильтрации теплоносителя сквозь по- ристое тело, м/с; wf,0 – средняя скорость теплоносителя в канале без пористого тела, м/с; vf -кинематическая вязкость теплоносителя, м2/с; lт – длина пористого тела, м.
Результаты расчетов С dэ для исследованных образцов показаны на рис. 6, а .
Обобщение результатов обычно производят с помощью модифицированного уравнения Дарси dp
-"Г -а г 4 f w f + р г Р f w f , dz
или линейным уравнением регрессии
^ d э - A г + B г/R e d э . (20)
Здесь а г и р г - вязкостный и инерционный коэффициенты сопротивления пористого материала; ^ f - р f v f - динамическая вязкость теплоносителя, Па.с; A г и B г – коэффициенты регрессии; Re d э - w f d 3 /v f – число Рейнольдса.
Между коэффициентами а г и р г , с одной стороны, и A г и B г , с другой, существует связь:
A г - 2 d э Р г , B г - 2 d г 2 а г . (21)
Путем аппроксимации точек, показанных на рис. 6, а , уравнением (20) для каждого образца были найдены коэффициенты A г и B г , а по формулам (21) затем рассчитаны коэффициенты а г и Р г , значения которых даны в табл. 3. Аппроксимация полученных значений а г и р г методом Гаусса, показанная на рис. 6, б и рис. 6, в , позволила получить следующие критериальные уравнения:
а г d с2ф - C „ Е V75,6 ( 1 -Е v ) - 5,0 d сф ( l ,/ d сф ) 5'6 . (22)
Р г d сф - C р Е v317 ( 1 - Е v ) " 0’99 d С : ( / ,/ d сф ) 6’9 ,(23) где C а = 5,82^10 - 17, C р = 2,5440 - 13; d сф - диаметр
Таблица 2. Характеристики образцов ВПЯМ
Образец |
Материал |
D ц - 10 3 , м |
l т - 10 3 , м |
Е v |
d сф • 10 3 , м |
d э •Ю3 , м |
d ск • 10 3 , м |
Е ск |
f ск , м -1 |
1 |
Медь |
50,2 |
39,8 |
0,965 |
3,05 |
1,950 |
0,131 |
0,0119 |
1979 |
2 |
Нихром |
49,9 |
33,7 |
0,954 |
3,49 |
2,220 |
0,200 |
0,0160 |
1719 |
3 |
Нихром |
50,1 |
34,2 |
0,804 |
0,80 |
0,474 |
0,214 |
0,0794 |
6787 |
4 |
Нихром |
49,9 |
34,2 |
0,871 |
3,93 |
2,402 |
0,659 |
0,0483 |
1451 |
5 |
Нихром |
50,0 |
34,1 |
0,844 |
2,16 |
1,304 |
0,448 |
0,0603 |
2588 |
6 |
Медь |
49,7 |
39,2 |
0,966 |
5,27 |
3,371 |
0,221 |
0,0117 |
1146 |
7 |
Нихром |
50,0 |
41,3 |
0,867 |
1,98 |
1,206 |
0,34 |
0,0502 |
2876 |
8 |
Нихром |
50,1 |
34,0 |
0,867 |
3,00 |
1,829 |
0,520 |
0,0500 |
1897 |
9 |
Медь |
49,7 |
39,0 |
0,965 |
3,79 |
2,424 |
0,162 |
0,0119 |
1593 |
10 |
Медь |
49,8 |
38,6 |
0,959 |
5,24 |
3,337 |
0,267 |
0,0143 |
1149 |
11 |
Нихром |
49,6 |
33,7 |
0,800 |
0,80 |
0,473 |
0,220 |
0,0816 |
6764 |

^d

Рис. 6. Гидродинамическое сопротивление образцов ВПЯМ а – индивидуальные характеристики; б – обобщение вязкостного коэффициента сопротивления; в – то же инерционного коэффициента; г – обобщенная характеристика; 1-11 – номера образцов

Таблица 3. Значения коэффициентов уравнений (19), (20) и (24)
Опытные значения С dэ затем были обобщены уравнением (20), в котором коэффициенты A г и B г рассчитаны по формулам (21)-(23). Результаты обобщения показаны на рис. 6, г .
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВНУТРЕННЕЙ ТЕПЛООТДАЧИ ВПЯМ
Опытные значения внутренней теплоотдачи для отдельных образцов обобщались критериальным уравнением вида:
Nu l * - A т Re П *т Pr f0,4 C t , (24) где Nu i * - a l ,X f ; Nu i * -a v ( l ) /X f ; a -поверхностный коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м2К); a v - af ск - объемный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3К); l * – определяющий размер, м; с t - ( ^ f /^ w ) 0,14 - для газов; c t - ( Pr f/ Pr w ) 0,25 – для жидкостей.
Среди исследователей с * уществуют разные мнения по вопросу выбора l * . Так, В.М. Поляев и сотр. [1, 2], Ю.А. Зейгарник, Ф.П. Иванов [14]
и др. полагают, что в качестве такового следует брать отношение Р г /аг . Ю.Ф. Гортышов и сотр. за определяющий размер брали средний диаметр пор d сф [15] и диаметр трубы D [16]. Японские исследователи Fukuda K. и сотр. [17] предложили l = ij^ а г и l * = 1[ р г . Авторы данной работы считают целесообразным по аналогии с обычными каналами использовать в качестве определяющего размера эквивалентный диаметр d э .
На рис. 7 показаны результаты исследования теплоотдачи 11 образцов ВПЯМ, обобщенные уравнением (24) при l * = р г /а г (рис. 7, a ), при l = d сф (рис. 7, б ) и l = d ‘э (рис. 7, в ). Значения множителя A т и показателя степени n т при l = d ‘э даны в табл. 3.
Анализ графиков на рис. 7 показывает, что, во-первых, полученные результаты по внутренней теплоотдаче удовлетворительно согласуются с критериальным уравнением Ю.Ф. Гортышо-ва и сотр. [15]
Nu v,d сф - 0,606 Re d сф Pr f £ V5,2 (25)
и лежат ниже критериального уравнения В.М. Поляева [1, 14]
\u. 0,004 Re р/а Prf , (26) полученному по результатам исследований низкопористых материалов.
Во-вторых, примерно одинаковые значения среднего квадратического отклонения о точек на рис. 7,a-в относительно критериального уравнения (24) свидетельствует, что ни один из определяющих размеров l не имеет заметных преимуществ перед остальными. Поэтому напрашивается вывод: для обобщение данных по внутренней теплоотдаче в пористых телах необходимо привлекать индивидуальные характеристики пористой структуры.
На рис. 7,
г
показано обобщение опытных данных по внутренней теплоотдаче ВПЯМ, полученных с использованием икосаэдрической модели ВПЯМ, критериальным уравнением
\ч
-
2 32-ю
3
Re
1;;’
d
11
;
Уравнение (27) построено методом Гаусса с выбором главного элемента в столбце. Среднеквадратическое отклонение точек от уравнения (27) составляет 23 %, что вдвое меньше отклонения точек от критериального уравнения (24).
Уравнения (20) и (27), обобщающие полученные результаты по гидродинамическому сопротивлению и внутренней теплоотдаче ВПЯМ, пригодны в диапазоне 14 < Re d э < 3414.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
-
1. Предложена икосаэдрическая модель ВПЯМ, позволяющая уточнить наиболее важ-
Рис. 7. Теплоотдающие характеристики ВПЯМ:
1-11 – номера образцов; 12 – 12 – линии регрессии опытных данных с использованием икосаэдрической модели ВПЯМ; 13 - уравнение (25); 14 - уравнение (26) при £ v = 0,8; 15 - то же при £ v = 0,97
1000 Reda
-
2. При обобщении результатов исследований внутренней теплоотдачи и сопротивления необходимо помимо влияния режима течения, определяемого числом Рейнольдса, влияния теплофизических свойств теплоносителя, определяемого числом Прандтля, учитывать также влияние характеристик пористости пористой структуры.
-
3. Полученные теплогидродинамические характеристики ВПЯМ применимы в диапазоне 14 < Red < 3414; 0,8 < Е < 0,966; 0,8 э v
ные для теплового и гидродинамического расчета геометрические и теплофизические характеристики ВПЯМ.
-
< d сф < 5,27 мм.
Список литературы Теплоотдача и сопротивление высокопористого материала
- Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. М.: Машиностроение. 1988. 168 с.
- Научные основы технологий XXI века. М.: УНПЦ "Энергомаш". 2000. 136 с.
- Попов И.А. Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах. Интенсификация теплообмена. Казань: Центр инновационных технологий. 2007. 240 с.
- А.с. СССР № 577095. Способ получения пористого металла/В.Н. Анциферов, Ю.А. Белых, В.Д. Храмцов, В.М. Чепкин. Б.И. 1977. № 39.
- Анциферов В.Н., Храмцов В.Д. Высокопористые проницаемые ячеистые металлы и сплавы. Области применения.//Перспективные материалы. 2002. №2. С. 23-28.
- Кирсанов Ю.А., Назипов Р.А., Данилов В.А. Геометрические и теплофизические характеристики высокопористой структуры//Известия вузов. Авиационная техника. 2010. № 2. С. 49-52.
- Кирсанов Ю.А., Назипов Р.А., Данилов В.А., Башкирцев Г.В. Математическая модель тепловых процессов и методика исследования теплоотдачи в пористом цилиндре//Известия Самарского научного центра РАН. 2010. Т. 12, № 4. C. 90-96.
- Кирсанов Ю.А., Назипов Р.А., Данилов В.А., Иванова Е.И. Теплопроводность охлаждаемого пористого цилиндра//Известия РАН. Энергетика. 2011. №4. С. 124-132.
- Пористые проницаемые материалы: Справ. изд. [под ред. Белова С.В.]. М.: Металлургия. 1987. 335 с.
- Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. 832 с.
- Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: Физматлит. 1962. С. 456.
- Васильев Л.Л., Танаева С.А. Теплофизические свойства пористых материалов. Минск: Наука и техника. 1971. С. 268.
- Анциферов В.Н., Куневич А.П., Басанов В.А., Медведев А.П. Электросопротивление и теплопроводность высокопористых проницаемых ячеистых материалов//Порошковая металлургия. 1988. № 8. С. 87-92.
- Зейгарник Ю.А., Иванов Ф.П. Обобщение опытных данных по внутреннему теплообмену в пористых структурах//ТВТ.2010.Т.48, №3. С.402-408.
- Гортышов Ю.Ф., Муравьев Г.Б., Надыров И.Н. Экспериментальное исследование течения и теплообмена в высокопористых структурах//Инженерно-физический журнал. 1987. Т.53. №3. С. 357-361.
- Гортышов Ю.Ф., Надыров И.Н., Ашихмин С.Р., Куневич А.П. Теплообмен при течении однофазного и вскипающего охладителя в канале с пористой вставкой//Инженерно7физический журнал. 1991. Т.60. № 2. С. 252-258.
- Fukuda K., Kondoh T., Hasegawa S. Relationship between Heat Transfer and Pressure Drop of Porous Materials//Engineering Sciences Reports, Kyushu University. 1992. Vol. 14, No 2. Pp. 213-223.