НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o075.pdf (1333.08Кб)

УДК 533.6.011.72

1 НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия

В работе представлено описание методики одновременного определения в эксперименте коэффициентов восстановления температуры и теплоотдачи при течении сверхзвукового потока сжимаемого газа. Актуальность работы определяется важностью повышения точности переноса данных, полученных на аэродинамических трубах и при численном моделировании, на реальные условия полета. Одной из проблем на сегодняшний день является учет изменения коэффициента восстановления температуры при исследовании вопросов интенсификации теплоотдачи. При рассмотрении сложных течений, сопровождающихся скачками уплотнения и отрывом пограничного слоя от стенки, определение коэффициента теплоотдачи сопряжено со значительными погрешностями из-за отсутствия подходящей методики определения коэффициента восстановления. Практическая актуальность работы также определяется исследованием способов повышения эффективности работы устройства безмашинного энергоразделения потоков (трубы Леонтьева). Описанная методика применяется для исследования течения сверхзвукового потока на плоской стенке за ребром, расположенным перпендикулярно направлению потока.
Исследование проводилось для числа Маха набегающего потока 2,25 и турбулентного режима течения – критерий Рейнольдса по длине динамического пограничного слоя составлял 2•107 на входе в рабочий участок. Высота ребра варьировалась от 2 до 8 мм при толщине динамического пограничного слоя около 6 мм. Исследования проводились с помощью термопар, датчиков полного и статического давления, современного оборудования автоматизации эксперимента National Instruments. Погрешность определения коэффициента восстановления температуры составила 3%, а коэффициента теплоотдачи 4,5%.
Представлены графики изменения в процессе запуска аэродинамической трубы измеренных параметров – давления и температуры торможения, статического давления и температуры стенки, а также расчетных параметров – адиабатной температуры стенки, теплового потока и безразмерного коэффициента теплоотдачи. В работе показано, что коэффициент восстановления температуры при течении на плоской стенке за ребром уменьшается на величину от 3,6% при высоте ребра 2 мм до 7,7% при высоте ребра 8 мм в сравнении с безотрывным обтеканием гладкой стенки.
Коэффициент теплоотдачи в среднем возрастает на 20…25% (максимальное увеличение на 33% для ребра высотой 8 мм) для оребренной стенки в сравнении с гладкой.
На основе полученных результатов сделан вывод о положительном влиянии установки ребер в сверхзвуковом канале на эффективность процесса газодинамической температурной стратификации в трубе Леонтьева. Исследования выполнены на экспериментальной базе НИИ механики МГУ.

1. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. 2-еизд. М.: Энергоатомиздат, 1985. 320 с. [Kutateladze S.S., Leontiev A.I. Heat transfer, mass transfer and friction in turbulent boundary layers. N.Y.: Hemisphere Publ. Corp., 1990. 302 p.]
2. Hayes J.R., Neumann R.D. Introduction to the aerodynamic heating analysis of supersonic missiles // Tactical Missile Aerodynamics: Prediction methodology. Wash.: AIAA, 1992. Pp. 63-110.
3. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Пер. с англ. М.: Наука, 1974. 711 с. [Schlichting H. Boundary-layer theory. 6^th ed. N.Y.: McGraw Hill Publ., 1968. 747 p.].
4. Бурцев С.А. Анализ влияния различных факторов на значение коэффициента восстановления температуры на поверхности тел при обтекании потоком воздуха. Обзор // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 11. С.1-28. DOI: 10.7463/1104.0551021
5. Здитовец А.Г. Изучение влияния формы поверхности и критерия Прандтля на температуру теплоизолированного тела, обтекаемого сверхзвуковым потоком газа: дис. … канд. техн. наук. М., 2005. 108 с.
6. Вигдорович И.И., Леонтьев А.И. Энергоразделение газов с малыми и большими числами Прандтля // Известия РАН. Сер.: Механика жидкости и газа. 2013. № 6. С. 117-134.
7. Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния доли гелия на значение критерия Прандтля газовых смесей // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 5. С. 314-329. DOI: 10.7463/0514.0710811
8. Егоров К.С., Рогожинский К.С. Численное моделирование влияния числа Прандтля газа и схемы течения на эффективность работы устройства безмашинного энергоразделения // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. №10. С. 21-35. DOI: 10.7463/1015.0814490
9. Макаров М.С. Газодинамическая температурная стратификация в сверхзвуковых потоках: дис. … канд. физ.-мат. наук. Новосиб., 2007. 154 с.
10. Виноградов Ю.А., Егоров К.С., Попович С.С., Стронгин М.М. Исследование тепломассообмена на проницаемой поверхности в сверхзвуковом пограничном слое // Тепловые процессы в технике. 2010. Т. 1.№ 1. С. 7-9.
11. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Макарова М.С. Температурная стратификация при отсосе пограничного слоя из сверхзвукового потока // Теплофизика высоких температур. 2012. Т. 50. № 6. С. 793-798.
12. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование температурной стратификации воздушного потока, протекающего через сверхзвуковой канал, с центральным телом в виде пористой проницаемой трубки // Известия РАН. Сер.: Механика жидкости и газа. 2013. № 5. C. 134-145.
13. Zditovets A.G., Leontiev A.I., Vinogradov Yu.A., Strongin M.M., Titov A.A. Film cooling efficiency in the supersonic flow with foreign gas injection // 14^th Intern. Heat Transfer Conf.: IHTC14: Proceedings. Wash.: ASME, 2010. Vol. 1. P. 177-181. DOI: 10.115/IHTC14-22580
14. Здитовец А.Г., Титов А.А. Влияние формы поверхности теплоизолированного стержня, омываемого сверхзвуковым потоком, на коэффициент восстановления температуры // Известия РАН. Сер.: Энергетика. 2007. № 2. С. 111-117. Режим доступа: http: // istina.msu.ru/media/publications/article/401/bd9/7485545/2007_-_Izvestiya_AN_Energetika_-_Sterzhni.pdf(дата обращения 01.02.2016).
15. Titov A.A., Leontiev A.I., Vinogradov Yu.A., Zditovets A.G., Strongin M.M. Experimental investigation of skin friction drag and heat transfer on the surfaces with concavities in compressible fluid flow // 14^th Intern. Heat Transfer Conf.: IHTC14: Proceedings.Wash.: ASME, 2010. Vol. 2. Pp. 597-601. DOI: 10.1115/IHTC14-22585
16. Бурцев С.А., Васильев В.К., Виноградов Ю.А., Киселев Н.А., Титов А.А. Экспериментальное исследование характеристик поверхностей, покрытых регулярным рельефом // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 1. С. 263-290. DOI: 10.7463/0113.0532996
17. Бурцев С.А., Виноградов Ю.А., Киселев Н.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик поверхностей с коридорным расположением лунок // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 5. С. 348-369. DOI: 10.7463/0515.0776160
18. Lee Y., Settles G.S., Horstman C.C. Heat transfer measurements and computations of swept-shock-wave/boundary-layer interactions // AIAA Journal. 1994. Vol. 32. No. 4. Pp. 726-734. DOI: 10.2514/3.12045
19. Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния падающего скачка уплотнения на адиабатную температуру стенки в сверхзвуковом потоке сжимаемого газа // Тепловые процессы в технике. 2014. Т.6. № 3. С. 98-104.
20. Попович С.С., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование влияния отрывного сверхзвукового течения на температуру теплоизолированной стенки // 6-я Росс. нац. конф. по теплообмену: РНКТ-6. Труды. М.: Изд-во МЭИ, 2014. С. 262-265.
21. Brinich P.F. Recovery temperatures and heat transfer near two-dimensional roughness elements at Mach 3.1. Wash.: NASA, 1958. 21 p.
22. Garland B.J., Hall J.R. Measurements of aerodynamic heat transfer in turbulent separated regions at a Mach number of 1.8. Wash.: NASA, 1958. 18 p.
23. Носатов В.В., Семенёв П.А. Расчетно–экспериментальное исследование сверхзвукового турбулентного отрывного течения и локальной теплоотдачи в плоском канале с внезапным расширением // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 9. С. 551-566. DOI: 10.7463/0913.0605814
24. Носатов В.В., Семенёв П.А. Расчетно-экспериментальное исследование сверхзвукового турбулентного отрывного течения с внезапным расширением // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2014. № 1. С.66-77.
25. Попович С.С., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование возможности интенсификации теплообмена в устройстве безмашинного энергоразделения потоков // Вестник Самарского гос. аэрокосмического ун-та им. акад. С.П.Королева. 2015. Т. 14. №. 2. С. 159-169. DOI: 10.18287/2412-7329-2015-14-2-159-169
26. 26.Попович С.С., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование возможностей интенсификации теплообмена в устройстве газодинамической температурной стратификации // ХI Всерос. съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сб. докл. Казань: Изд-во Казан.ун-та, 2015. С. 3089-3091.
27. Боровой В.Я. Течение газа и теплообмен в зонах взаимодействия ударных волн с пограничным слоем. М.: Машиностроение, 1983. 141 с.
28.  Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор) // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, № 2. С. 310-322. DOI: 10.7868/S0040364413060069
29.  Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование безмашинного энергоразделения воздушных потоков в трубе Леонтьева // Тепловые процессы в технике. 2015. № 9. С. 397-404.
30.  Макаров М.С., Макарова С.Н. Эффективность энергоразделения при течении сжимаемого газа в плоском канале // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 6. С. 777-787.
31.  Бурцев С.А. Исследование путей повышения эффективности газодинамического энергоразделения // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, вып. 1. С. 14-21. DOI: 10.7868/S0040364414010062
32.  Волчков Э.П., Макаров М.С. Газодинамическая температурная стратификация в сверхзвуковом потоке // Известия РАН. Сер.: Энергетика. 2006. № 2. С. 19-31.
33.  Цынаева А.А., Никитин М.Н., Цынаева Е.А. Интенсификация температурной стратификации // Тепловые процессы в технике. 2015. № 11. С. 505-509.
34.  Бурцев С.А. Методика расчета устройств газодинамической температурной стратификации при течении реального газа // Тепловые процессы в технике. 2013. № 9. С. 386-390.
35.  Вигдорович И.И., Леонтьев А.И. К теории энергоразделения потока сжимаемого газа // Известия РАН. Механикажидкостиигаза. 2010. № 3. С. 103-109.
36.  Ligrani, P.M., Oliveira, M.M., Blaskovich, T. Comparison of heat transfer augmentation techniques // AIAA Journal. 2003. Vol. 41. Iss. 3. Pp. 337-362. DOI: 10.2514/2.1964
37.  Бурцев С.А. Исследование устройства температурной стратификации при работе на природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 9. С.1-21. DOI: 10.7463/0904.0516097
38.  Бурцев С.А. Исследование работы устройства температурной стратификации на воде и природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2005. № 5. С.1-17. DOI: 10.7463/0505.0529473
39.  Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния ударных волн на эффект безмашинного энергоразделения газовых потоков // Наука и образование. МГТУим. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 3. С. 64-80. DOI: 10.7463/0316.0835444
40.  Mee D.J., Chiu H.S., Ireland P.T. Techniques for detailed heat transfer measurements in cold supersonic blowdown tunnels using thermochromic liquid crystals // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. 2002. Vol. 45. Iss.16. Pp. 3287-3297. DOI: 10.1016/S0017-9310(02)00050-9
41.  Schulein E. Skin-friction and heat flux measurements in shock/boundary layer interaction flows // AIAA Journal. 2006. Vol. 44. No. 8. P. 1732-1741. DOI: 10.2514/1.15110
42.  Schultz D.L., Jones T.V. Heat-transfer measurements in short-duration hypersonic facilities. [P.]: NATO, 1973. 149 p.
43.  Popovich S.S., Egorov K.S., Vinogradov U.A. Experimental research of adiabatic wall temperature influenced by separated supersonic flow // 15^th Intern. Heat Transfer Conf. IHTC-15: Proceedings. Redding: Begell House Inc., 2014. Pp. 8962-1-8962-11. DOI: 10.1615/ihtc15.fcv.008962
44.  Popovich S.S., Strongin M.M., Vinogradov Yu.A., Zditovets A.G. Experimental research of heat transfer augmentation technique in gas dynamic energy separation process // 8^th Intern. Symp. on Turbulence, Heat and Mass Transfer: Proceedings. Sarajevo: Begell House Inc., 2015. Pp. E139.1-E139.11.
45.  Leontiev A.I., Dilevskaya E.V., Vinogradov Yu.A., Yermolaev I.K., Strongin M.M., Bednov S.M., Golikov A.N. Effect of vortex flows at surface with hollow-type relief on heat transfer coefficients and equilibrium temperature in supersonic flow // Experimental Thermal and Fluid Science. 2002. Vol. 26. Iss. 5. Pp. 487-497. DOI: 10.1016/S0894-1777(02)00157-7