Эффективность тепловой защиты газовой завесой на плоской стене

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВАМЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКАФЕДРА АЭРОМЕХАНИКИ И ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИЛабораторная работа специального студенческого практикумаЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ«ПОРИСТОГО» ОХЛАЖДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ, ОБТЕКАЕМОЙСВЕРХЗВУКОВЫМ ПОТОКОМ ГАЗАЦель работы: ознакомление студентов с методикой проведенияэксперимента в сверхзвуковой аэродинамической трубе и методикойколичественного определения коэффициента теплоотдачи на плоскойпроницаемой поверхности при вдуве газа в турбулентный пограничный слойсверхзвукового потокаРуководители работы: Виноградов Ю.А., Егоров К.С., Попович С.С., Стронгин М.М.Москва 2011СОДЕРЖАНИЕ.ОБОЗНАЧЕНИЯ ................................................................................................................3ВВЕДЕНИЕ.

.......................................................................................................................5I. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОРИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПЛАСТИНЫВ СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ .................................................................................6II. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯСВЕРХЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ. ...........................................9III. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ.

........................................11IV. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ......................................134.1. Аэродинамическая труба. ....................................................................................134.2. Экспериментальная модель. ................................................................................174.3. Система вдува вторичного воздуха.....................................................................20V.

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ ...........................................225.1. Измерение давления. ............................................................................................225.2. Определение расхода воздуха. ............................................................................255.3. Измерение температуры.......................................................................................265.4 Визуальные наблюдения и фотографирование...................................................285.5 Измерительно-регистрирующая система. ...........................................................31VI.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ...............................................33VII. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ. .........................................34ЛИТЕРАТУРА. ................................................................................................................372ОБОЗНАЧЕНИЯ.X, Y – прямоугольные координаты, (ось X - по направлению течения, Y - по нормалик поверхности);W – проекция осредненной скорости на ось координат X;δ – толщина динамического пограничного слоя;δ** – толщина потери импульса;ρ – плотность;μ – коэффициент динамической вязкости;λ – коэффициент теплопроводности;α – коэффициент теплоотдачи;Ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении;R – удельная газовая постоянная;p – давление;T – температура;τст – касательное напряжение на стенке;2 ст– коэффициент трения на стенке;0 wстСf ст wст – массовая скорость (расход) через элемент поверхности пористого тела;0 w0 – массовая скорость основного потока;Pr C pPrT  C p– критерий Прандтля;TT– турбулентный критерий Прандтля, где T и T -турбулентныевязкость и теплопроводность;a0 – скорость звука в основном потоке;Mw0– число Маха;a0Sc – критерий Шмидта, где D – коэффициент диффузии;DScT St T– турбулентный критерий Шмидта;DTq– обобщенный критерий Стантона, где q – удельный тепловой поток;0 w0 ii  i0  iст – разность энтальпий основного потока i0 и стенки iст;3Re wl– критерий режима движения (критерий Рейнольдса), где l - характерныйразмер;0 w0 **– критерий Рейнольдса, построенный по толщине потери импульса;Re ***где  * – коэффициент динамической вязкости при температуре стенки;Сf0 , St0 – коэффициент трения и критерий Стантона на плоской непроницаемойпластине, обтекаемой изотермическим потоком ("стандартные условия");Ψ – энтальпийный (температурный) фактор;Ψ*– кинетический энтальпийный (температурный) фактор;bкр – критический параметр проницаемости;  – предельный относительный закон теплообмена;bjст 2;0 w0 C f 0bT – параметры проницаемости, где jст jст 2;0 w0 St04cт  wcт.0 w0ВВЕДЕНИЕ.В настоящее время развитие космической и авиационной техники, а такжепромышленной энергетики обуславливает большой интерес к проблеме тепловой защитыповерхностей аппаратов от воздействия высокотемпературного и высокоскоростногогазового потока.

Одним из наиболее перспективных способов защиты поверхностиявляется "пористое" охлаждение. В этом случае стенка аппарата частично или полностьюизготавливаются из специального "пористого" материала способного пропускать черезсебяохладитель(жидкостьиливысокотемпературного газовогогаз).потокаВводохладителяснижаетвпограничныйвеличину тепловыхслойпотоков кповерхности, а также уменьшает трение.Известно, что эффективность пористого охлаждения (т.е. уменьшение тепловогопотока в стенку) существенно зависит от количества и физических свойств подаваемогоохладителя, от характера и скорости течения в основном потоке и от ряда другихпараметров. Количественные измерения зависимости величины теплового потока в стенкуот количества подаваемого охладителя и составляют содержание данной работы.5I.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОРИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЯПЛАСТИНЫ В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ.Рассмотрим физическую картину явления, имеющего место на проницаемойпластине в условиях пористого охлаждения. Вдув газа в пограничный слой можетосуществляться (рис.1) через пористую (а) или перфорированную (б) стенку. В этихусловиях холодный газ, поступающий на поверхность тела, смешивается с горячим газомосновного потока и на поверхности возникает слой с меньшим градиентом скорости понормали к поверхности и с температурой, равной температуре смеси этих газов.

Такимобразом, чем большее количество холодного газа поступит в пограничный слой, темменьше продольная скорость и температура газа у стенки. При этом может наступитьмомент, когда пограничный слой оттесняется от стенки, и температура стенки становитсяравной температуре вдуваемого газа.

Наличие поперечного потока массы в пограничномслое оказывает влияние на структуру пограничного слоя (толщину, профили скорости,температур и т.д.) и тем больше влияние, чем интенсивнее поперечный поток массы. Сизменением локальных характеристик пограничного слоя изменяются и его интегральныехарактеристики. Так вдув, как правило, приводит к уменьшению трения и тепловогопотока на стенке.Широкое распространение получила асимптотическая теория С.С.Кутателадзе иА.И.Леонтьева [4, 5].

Авторы, используя формулу Л.Прандтля для турбулентного трения,рассмотрели поведение параметров пограничного слоя при Re  . Ими было замечено,что при Re   толщина вязкого подслоя убывает по мере роста числа Re быстрее, чемтолщина всего турбулентного пограничного слоя. В пределе можно представить течениежидкости или газа без вязкого подслоя. В этом случае абсолютные значениякоэффициентов трения и теплообмена стремятся к нулю, однако относительныеизменения коэффициентов трения и теплообмена под влиянием возмущающих факторов(неизотермичность, сжимаемость, проницаемость) сохраняют конечную величину.6а)б)Рис. 1.

Вдув газа в пограничный слой через пористую (а) и перфорированную (б) стенку7При безградиентном течении для случая сверхзвукового обтекания пластиныотносительный закон теплообмена имеет вид:2 St b 1 TM b  , где:кр  St0 Re*T22 ,T  Tст1* Tст2k 1  arctgM 0 r2  ,M  k 1  M0 r2bкр  bкр  M , где2bкр2  1 1  arccos , где1  1 1 1 Tст- температурный фактор.T0Для конечных чисел Рейнольдса применение результатов теории [4, 5] не являетсяочевидным и возможно только при соответствующей коррекции.В частности, в области конечных чисел Рейнольдса и для некоторых случаевкоэффициент динамической вязкости, входящий в Re*T 0 w0 **, следует определять по*температуре стенки, т.к.

при Re   температура в вязком подслое стремится ктемпературе стенки.8II. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯСВЕРХЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ.Вследствие разности температур поверхности и обтекающего ее потока возникаетявление теплообмена, характеризуемое наличием теплового потока Q.Тепловой поток – это количество теплоты, проходящее через произвольнуюповерхность в течение произвольного отрезка времени.Исторически сложилась формула для определения теплового потока:Q  TF ,где T – температурный напор, т.е. разность характерных температур поверхностии потока; F – площадь обтекаемой поверхности; τ – время; α – коэффициент теплоотдачи.Эта формула не отражает полностью действительную зависимость тепловогопотока от температуры, физических свойств и размеров поверхности и потока, а являетсялишь формальным приемом, переносящим все трудности расчета теплообмена наопределение величины коэффициента теплоотдачи α.

Определение коэффициентатеплоотдачи как функции параметров, характеризующих исследуемый процесс, являетсяцелью теоретических и экспериментальныхисследований теплообмена. Обычнорассматривают плотность теплового потока, т.е. тепловой поток в единицу времени,отнесенный к единице поверхности:q  T .Тогда α является размерной величиной.Безразмерным представлением коэффициента теплоотдачи является критерийСтантона:St 0 w0C pЗдесь ρ0, w0 и Cp – соответственно: плотность, скорость и удельная теплоемкостьгаза при постоянном давлении, обтекающего поверхность.В сверхзвуковом потоке различают три характерных температуры:Т0 – температура торможения, т.е. температура адиабатно заторможенного потока,T – термодинамическая (статическая) температура,T *ст – адиабатная температура стенки (поверхности), т.е. та температура, котораяустанавливается на поверхности тела, не имеющего источников и стоков тепла,обтекаемого сверхзвуковым потоком, при уменьшении до нуля тепловых потоков (т.е.

при9отсутствии теплопередачи по нормали к обтекаемой поверхности и перетекания теплавдоль этой поверхности вследствие теплопроводности).Адиабатную температуру поверхности вычисляют по формуле:k 1 2 T *ст  T0 1  rM ,2где r – коэффициент восстановления температуры, зависящий в общем случае отфизических свойств газа, характера течения и других особенностей процесса.Температурный напор при обтекании поверхности сверхзвуковым потокомопределяется разностью следующих характерных температур:T  T0  T *ст .Тогда:St q,0 w0C p T0  T *ст и для экспериментального определения его величины необходимо измеритьнепосредственно или косвенно все параметры, входящие в эту формулу.10III. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ.В данном эксперименте необходимо имитировать реальное явление обтеканияпластины сверхзвуковым потоком горячего газа.