Эффективность тепловой защиты газовой завесой на плоской стене (1163151), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Однако создать такой стенд – задачасложная и затратная, поскольку необходимо нагревать большие массы воздуха. В то жевремя известно, что при небольших температурных напорах направление тепловогопотока не оказывает влияния на интенсивность теплообмена. Поскольку при определениикритерия Стентона и коэффициента теплоотдачи направление теплового потока не имеетзначения (эти величины не зависят в общем случае от направления теплового потока), тоимеет значение только разность температур между нагреваемым и охлаждающимпотоками. Поэтому при создании экспериментального стенда было принято решениенагревать не основой поток в аэродинамической трубе, а воздух, вдуваемый в пористуюстенку.
Следовательно, тепловой поток в нашем случае будет направлен от стенки впограничный слой, а не наоборот, как это имеет место в реальных конструкциях.Нагретый вдуваемый воздух, проходя сквозь пористую пластину достаточнобольшой толщины, отдает тепло материалу пластины, омываемой сверхзвуковымпотоком. При определенных допущениях и условиях проведения эксперимента можнополагать, что температура материала пористой пластины совпадает с температуройвдуваемого газа. По литературным данным [6] в случае достаточно тонких пористыхпластинприумеренныхтепловыхпотокахсправедливатакназываемаяоднотемпературная модель теплообмена в пористом материале, при которой можнополагать, что температура вдуваемого воздуха на выходе из пластины совпадает стемпературой ее поверхности*.Рис.
2. Постановка экспериментальной задачи*Подробное описание модели – в разделе 4.211Такимобразом,рассматриваетсянеизотермическоеобтеканиеплоскойпроницаемой пластины сверхзвуковым потоком воздуха при турбулентном режиметечения (рис.2). Через пластину подается также поток воздуха, имеющий более высокуютемпературу, чем основной поток. Целью работы является определение коэффициентатеплоотдачи на обтекаемой поверхности в зависимости от интенсивности подачи воздухачерез проницаемую поверхность.12IV.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.4.1. Аэродинамическая труба.Даннаяработавыполняетсянасверхзвуковойаэродинамическойтрубенепрерывного действия без подогрева основного потока воздуха. Схема установкиприведена на рис. 3 [1-3].Скорость потока в рабочей части трубы может меняться с помощью регулируемогоплоского сверхзвукового сопла в пределах М = 1,7...3,5. Однако данная работа проводитсяпри номинальном числе М = 2,25.
Температура торможения воздуха меняется в пределахT0 290 300 К . Давление торможения около P0 = 7 атм. Число Рейнольдса на 1 смсоставляет около 106. Размеры поперечного сечения рабочей части 70х90 мм.Основнымрабочимгазомявляетсявоздух,которыйтурбокомпрессоромнагнетается в газгольдерную батарею до давления ~ 8 атм и далее через очистныефильтры, систему регулирующих задвижек (18) поступает в аэродинамическую трубу.Максимальный расход воздуха через установку составляет 10 кг/с. Производительностькомпрессора (тоже ~ 10 кг/с) позволяет поддерживать постоянными параметры основногопотока в рабочем участке около часа и более и производить эксперименты в стационарномрежиме.Основными частями аэродинамической трубы являются: ресивер (1), сопло (8),рабочая часть (7), выходной диффузор (17).Ресивер (1) служит для преобразования скоростного напора воздуха, движущегосяпо магистрали из газгольдерной через регулируемые задвижки, в энергию давлениязаторможенного газа, успокоения потока и выравнивания поля скоростей.
Скоростьпотока воздуха в ресивере составляет 1-2 м/сек, что позволяет измерять в нем параметрыторможения потока.Во избежание отрыва потока от стенок на входе в ресивер, потерь полногодавления и для уменьшения турбулентных пульсаций установлены соосные конуса (2).Дляуменьшения турбулентныхпульсаций,устранениякрупномасштабныхпульсаций потока в ресивере помещаются хонейкомб (3) и сетки (6).
Физическоеобоснование их использования состоит в том, что крупномасштабные пульсации потокаустраняются за счет образования большого количества мелких завихрений, которыебыстро затухают. Размер вихрей зависит от числа Re, в котором характерным линейнымразмером является диаметр проволоки, из которых набрана сетка. При Re 40дискретные вихри не образуются и сетка не создает собственной турбулентности.13Поэтому для сохранения низких чисел Re сетку устанавливают в области малыхскоростей, а сама она изготавливается из проволоки малого диаметра.Для уменьшения поперечных составляющих турбулентного движения передколлектором сеток устанавливается хонейкомб (3).
В данном случае применена сотоваяконструкция хонейкомба из шестигранных латунных трубок с размерами ячеек 15 мм идлиной 300 мм.Использование хонейкомба и сеток перед рабочей частью значительно уменьшаетпульсации, выравнивает поле скоростей. Уменьшение интенсивности турбулентныхпродольных пульсаций пропорционально квадрату поджатия. В нашем случае величинаподжатия потока ~ 50.В ресивере имеются 4 ввода для установки приемников полного давления (4) итермопар (5).Сопловой блок (8) на установке выполнен регулируемым с переменнымкритическим сечением. Плоское сопло изготовлено из гибкой стальной ленты.
Изменениескорости потока в рабочей части трубы (числа М) производится поджатием критическогосечения сопла с помощью червячного механизма.Высота проходного критического сечения сопла однозначно связана с делениямишкалы червячного механизма. Каждому делению шкалы соответствует определенноечисло M потока в рабочей части (таблица 1).Таблица 1.
Соотношение между делениями шкалы и числом Маха в рабочей части.Число М2,252,53,063,5Деления шкалы40475255Рабочая часть (7) трубы имеет прямоугольное поперечное сечение с размерами70x90 мм. Верхняя и нижняя стенки рабочей части съемные, это дает возможностьукреплять на тех же стойках, которые служат для крепления стенок и модели (11). Крометого, на боковых стенках рабочего канала для наблюдения и визуализации картинытечения смонтированы иллюминаторы (10) с оптическими защитными стеклами. Навыходе из рабочей части расположен регулируемый диффузор (17) (регулированиепроизводится изменением проходного сечения диффузора). Диффузор предназначен дляэффективного превращения кинетической энергии потока на выходе из рабочей части вэнергию давления.
На данной установке применен плоский диффузор с прямолинейнымистенками и регулируемым горлом.14Подача вторичного воздуха в исследуемую модель осуществляется от магистраливысокого давления (до 200 атм.) через батарею воздушных редукторов (15). Дляопределения расхода вдуваемого воздуха измеряется статическое давление и температураперед расходомерной шайбой (14) и статическое давление за шайбой (это необходимо дляконтроля перепада давлений).
Используются датчики давления фирмы Honeywell, ИКД итермопары типа хромель-капель (XK). Для нагрева вдуваемого воздуха используютсяэлектрические нагреватели (12).15Рис. 3. Схема экспериментальной установки1 – ресивер, 2 – сборка конусов, 3 – хонейкомб, 4 – датчик давления ИКД6ТДа-11, 5 – термопара полной температуры, 6 – сетки, 7 – рабочаячасть, 8 – сопло, 9 – датчики давления ИКД27Да-1500, 10 – иллюминатор, 11 – проницаемая пластина, 12 – нагреватель, 13 – термопара вдуваемоговоздуха,14 – мерная шайба, 15 – воздушный редуктор, 16 – вентиль, 17 – диффузор, 18 – регулируемая задвижка, 19 – датчик давления Honeywell300ML300PS2PC164.2.
Экспериментальная модель.Для проведения измерений коэффициента теплоотдачи на пористой пластине привдуве воздуха была изготовлена модель с проницаемыми участками. Принципиальнаясхема модели представлена на рис. 4.Модель устанавливается на нижней стенке рабочей части аэродинамической трубыпараллельно основному потоку и состоит из следующих основных частей: носок (6),пористый участок (1), обойма (4), распределительный коллектор (5), корпус модели (7).Проницаемый участок прямоугольной формы толщиной 10 мм был изготовлен спеканиемпакета сеток из нержавеющей стали при высокой температуре в вакууме с последующейпрокаткой по технологии, разработанной в МВТУ им.
Н.Э.Баумана. Верхние слои сетки,обтекаемые сверхзвуковым потоком, изготовлены из проволоки 0, 04 мм, нижние слои из проволоки 0,5 мм.Средняя пористость (отношение объема пор к общему объему пластины)проницаемой пластины ~ 50%. Ширина проницаемого участка соответствует ширинерабочей части трубы и равно 70 мм. Проведенные методические эксперименты наподобных моделях показали, что широкие проницаемые участки делать нецелесообразно,так как происходит существенное перераспределение расхода вдуваемого воздуха поплощади отдельной секции, поэтому ширина отдельных проницаемых участков былавыбрана равной 13 мм. Глухие разделительные пазы выполнялись таким образом, что состороны обтекаемой сверхзвуковым потоком между секциями оставалась перемычкатолщиной 0,5 мм, при этом качество рабочей поверхности не нарушается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
