Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Ашмантас Л.-В.А. - Нестационарный тепломассообмен в пучках витых труб (1062122), страница 15
Текст из файла (страница 15)
2.2), до 400 К величина погрешности из-за их инерционности станет больше 5 К через время г1 = 4,5те, при скачке температуры в 1000 К через т1 = 5,5те. Тогда для термопар с е' = 0,2 мм их инерционность не будет превышать 0,04 ... 0,2 с и нестационарная погрешность не превысит абсолютной погрешности измерения на величину погрешности прибора. Таким образом, разработанные экспериментальные установки и участки с автоматизированной системой для сбора, обработки опытных данных и управления экспериментом позволяют с достаточной точностью исследовать нестационарные процессы тепломассопереноса. Особенности экспериментального исследования при изменении расхода теплоносителя Для экспериментального исследования нестацнонарного перемешивания теплоносителя при изменении его расхода во времени была разработана специальная аппаратура и проведена оценка инерционности системы измерения расхода теплоносителя.
Изменение расхода теплоносителя (воздуха) на экспериментальной установке достигалось изменением площади проходного сечения трубопровода. Устройство для изменения площади проходного сечения трубопровода устанавливалось перед измеряющим расход воздуха стандартным соплом. Такие сопла обычно используются для измерения расхода газа и устанавливаются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм. В данных экспериментах воздух подводился к пучку труб по трубопроводу диаметром 150 мм. Погрешность измерения расхода по перепаду давлений на сопле с учетом влияния возмущений, вносимых размещением этого устройства перед соплом, не превышала 1,5%. Конструктивная схема устройства для резкого изменения расхода воздуха представлена на рис.
2.12, а принципиальная схема установки с этим устройством на рис. 2.13. Работа устройства для изменения площади проходного сечения трубы (см. рис. 2.12) аналогична работе диафрагмы фотоаппарата и состоит в следующем. Электрический сигнал от системы управления (на основе ЭВМ СМ-4) через усилитель поступает в электромагнитный клапан пневмораспределителя, питаемый сжатым воздухом с давлением 0,6 МПа. В зависимости от исследуемого нестационарного процесса (уменьшение или увеличение расхода) сжатый воздух из пневмораспределителя поступает в одну из двух пневмокамер с пружинным энерго- аккумулятором типа 20-20.
При этом перемещается шток камеры, пере- 72 Рис. 2.12. Схема устройства из- меняющего расход: — лепестки; 2 — корпус У стройства; 3 — пневмокамера; 4 — пневмораспределителья — линия подачи сжатого воздуха в пневмокамеру; 6 — ли. ния сброса сжатого воздуха; 7 — рычаг; 8 — шток Рис. 2.13. Принципиальная схема экспериментальной уста. нонки: 1 — экспериментальный участок; 2 — отбор давления; 3 — координатник с термопарами; 4 — датчики давления; Б — генератор постоянного тока; 6 — термопары на входе в пучок; 7 — сопло для измерения расхода; 8 — управляющий пневмоприяод; 9 — задвижка; 10 — холодильник; 1 1 — автоматически регулируемые задвижки; 12 — редуктор; 13 — рессивер; 14 — компрессор; 15 — фильтр; 16 — турбокомпрессор; 17 — устройство для изменения расхода 7Х га 13 4 дающий с Чомошью рычага усилие на поворот корпуса, который приводит в движение лепестки, уменьшающие или увеличающие площадь проход.
ного сечения трубопровода. Передача возмущений в виде изменений давления или скорости движения среды от сечения к сечению трубопровода, по которому течет воздух, происходит с некоторым запаздыванием. Однако, поскольку волны возмущения в воздухе распространяются со скоростью звука, нестационарные газодинамические процессы в трубе затухают со временем, соизмеримым с временем прохождения волны возмущения. Инерционность системы измерения расхода можно оценить, учитывая, что по составленной программе экспериментом управляет ЭВМ СМ-4, сигнал от которой подается для изменения расхода и регистрации данных, Экспериментально было определено время задержки между пода.
чей сигнала и срабатыванием устройства, которое не превышает 0,2 с Инерционные характеристики системы пневмотрасса — датчик давлении также были определены экспериментально и сравнивались с данными работы 1451. Оказалось, что запаздывание сигнала составляет не более 0,04 с. Тогда с учетом времени запаздывания в электронном блоке преобразования давления 0,03 с полное время запаздывания от подачи сигнала ЭВМ СМ.4 на срабатывание устройства до фиксации измеряемой величины прибором будет составлнть не более 03 с, Поэтому измерения параметров при нестационарном протекании процесса, фиксируемые через 0,2 „, 0,4 с с момента подачи команды на изменение расхода воздуха, соответствуют газодинамически установившемуся процессу в трубогроводе при новом значении расхода. Глава 3 ВИХРЕВАЯ СТРУКТУРА ПОТОКА И ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА 3.1.
СТРУКТУРА СТАЦИОНАРНОГО ПОТОКА В ПУЧКЕ ВИТЫХ ТРУВ Структура турбулентного потока в пучке витых труб овального профиля является сложной. Турбулентность в этом случае порождается как неравномерностью поля скорости у стенки труб, так и неравномерностью распределения скорости в ядре потока ~31, Поэтому если на оси прямой круглой трубы турбулентность близка к однородной и изотропной (по Лауферу ~l й / 4 у'т = 1,05), то в пучке витых труб анизотропия свойств наблюдается и в ядре потока.
Неравномерность поля скорости в ядре потока пучка связана с наличием сквозных и винтовых каналов, а также мест касания труб' между собой [391, что может приводить при определенных режимах течения к различию в вихревой структуре в этих характерных областях течения. 74 Исследование распределений относительной продольн~ пульсационной скорости ъ/ й'~ /и в поперечном сечении п) "Оэ ка при числах Ке = = 6 10' ..„ 1,1 .
10' и Рг = 178 ... 1187 в характерных областях ядра потока (в сквозном к нале и за местом касания труб между собой) показало [1~ что максимальные значения,lи" /и м наблюдаются за точкаь касания соседних труб, а минимальные — в сквозных канала Среднее значение величины ъ/и /и в ядре потока опрев ляется из выражения ) 7 3К - (0,155+ 40,57Ргм + 1700Ргм ) Х "м ср Р~м 17.8 Х [1+ 7 5(19 5 0 135 Ргм) (3.) С зависимостью (3.1) согласуются также опытные даннь по интенсивности турбулентности работы [39), полученные м тодом диффузии тепла от точечного источника и основаннь на использовании предельного решения уравнения Тэйло) при малом времени диффузии, справедливого для изотропн[ и однородной турбулентности.
Поскольку анизотропность турбулентности обычно ра сматривается в зависимости от размеров вихрей, в работе [1! были использованы спектральные распределения продольнс пульсационной составляющей скорости й = /Е (/с)(И, 0 (3.3 и = /Е(/)аХ (3.1 0 При изучении вклада вихрей различного масштаба в проце переноса энергии в потоке было обнаружено, что турбулен ность в пучке витых труб содержит наряду с крупными энерг содержащими вихрями и вихри малых размеров.
Так как ди сипация энергии под действием вязкости возрастает при умен шенин размера вихрей,. то наблюдаемый в пучке витых тру сдвиг энергетического спектра турбулентности в область в1 соких частот по сравнению со спектром в круглой трубе [1: позволяет объяснить увеличение гидравлического сопротю ления по сравнению с гидравлическим сопротивлением в кру лых трубах.
Выражая величину и' в виде спектра по волн вым числам где )т = 2тц'и, (3.4) в работе (12) на основании гипотезы Тэйлора о замороженной турбулентности был оценен продольный интегральный пространственный масштаб турбулентности А = = 1пп Е(Й), (З.б) 2и ь О который характеризует среднестатистический размер вихрей. Этот масштаб различен для рассмотренных областей течения и не зависит от числа Ке. Однако определение величины Л по формуле (З,б) позволяет оценить только ее порядок. Поэтому можно уточнить пространственный масштаб 1,, изучая автокорреляционную функцию и'(т) и'(т + т) и коэффициент временной корреляции: и (с)и (т+ т) йт = и 1 Р и используя гипотезу Тэйлора чения с постоянной скоростью уравнение д и' д и' (им ) д! м ср дх (3.6) о том, что для однородного теи при (и ) ср > и' справедливо (3.7) и' (т) и (т+ т), коэффициент корреляции (3.6) Ат, интегральный временной масштаб Г = /Ртдт, О 76 (3.8) В этом случае автокорреляция совпадает с пространственной корреляцией для рассматриваемой точки и точки, сдвинутой на расстояние (и )срт в направлении оси х, а измерение ее является более надежным, поскольку измерение пространственной корреляции связано с искажением показаний второго датчика, расположенного ниже по потоку за датчиком в первой точке.
Использование гипотезы Тэйлора в случае течения с поперечным сдвигом и большим уровнем турбулентности, что характерно для пучков витых труб, может быть оправдано тем, что рассматривается только область ядра потока с примерно постоянной скоростью [39). Тогда экспериментально можно определить автокорреляцию величины и' при задержке времени т являющейся приближенной мерой наибольшей протяженност связи при изменении величины и'(т) под действием турб лентных пульсаций, а также продольный масштаб турбулен ности ("м) ср~ ° (З.с Экспериментальное исследование интенсивности пульсаци продольной скорости, автокорреляционной функции, спек ральной плотности и макромасштабов турбулентности пров~ дилось в пучках из 37 витых труб с о = 36 мм, В[ а = 12,5 и 2, Угм = 296 и 1187[11[, Для спектрального анализа обычно используется узкоп лосный фильтр, аналоговая термоанемоментрическая аллар тура н цифровой анализатор сигналов "Гюлли — Паккард" промежуточцой записью сигналов на магнитную ленту.
Ра смотрим опытные дань)ые, полученные с помощью аналогово аппаратуры, которая позволяет с большей точностью провеет спектральный анализ, чем аппаратура, использованная в раба [12). При проведении эксперимента турбулентные пульсаци скорости записывались в виде аналоговых пульсаций напряж ний. После исключения аномалий и искажений на цифрово анализаторе производилось преобразование сигналов в дис1 ретную реализацию и другие подготовительные операци1 (Под реализацией или частной записью понимается запись п< казаний датчика во время процесса) . При дискретизации пр~ цесса выборочный временной шаг (интервал дискретизаци выбирается из условия (3.1С 1/(Эм) где Км — максимальная частота, существующая в спектр данного сигнала.
При анализе пульсаций скорости длина реаль зации определялась по объему блока памяти Ж и числу выбь раемых отрезков реализации Ч (Ж = 612 и д = 50). Расчет нормированных коэффициентов автокорреляци (3.6) процесса с помощью аналоговой аппаратуры и цифрс вого анализатора сигнала проводился методом обратного прс образования Фурье оценок соответствующих спектральны плотностей. Оценка нормированной спектральной плотност процесса с помощью быстрого преобразования Фурье опредс лялась следующим образом. Для отрезка реализации величин где хе — коэффициент ряда Фурье: 2лан хе = Х х„ехр(-/' — ), (3.12) н =0 где хл = х (лЬт ) — ордината реализации, /г = О, 1, 2, ..., Л' — 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
