Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2017 номер 4

В статье представлен обзор литературы по тепловым контактам между неподвижными и периодически контактирующими поверхностями, а также между выпускным клапаном и его гнездом в двигателях внутреннего сгорания. Кроме того, выполнен анализ влияния ряда параметров, таких как контактное давление, частота контактов, рельеф и шероховатость контактирующих поверхностей, радиус кривизны поверхностей, циклы разгрузки-загрузки, теплопроводность и свойства газового разрыва, свойства материала, поглощенного поверхностью раздела, величина покрытия поверхности, а также влияния поверхностных температур на контактную теплопроводность по доступным литературным источникам. Настоящий обзор охватывает теоретические, аналитические, экспериментальные и численные исследования контактной теплопроводности. Для изучения теплового контакта между выпускным клапаном и его гнездом в большинстве экспериментов исследуются два осевых стержня; один из концов этих стержней рассматривается при постоянной и различных температурах. Контактная теплопроводность в экспериментах определяется путем измерения температуры стержней в нескольких точках при разных условиях.

С помощью развитых ранее авторами методов и подходов получено новое фундаментальное малопараметрическое уравнение состояния в виде приведенной функции Гельмгольца для описания термодинамических свойств нормальных веществ. Оно позволяет с достаточно высокой точностью, близкой к точности эксперимента, описывать термические свойства газа, жидкости и флюида в интервале плотностей от плотности в идеально-газовом состоянии до плотности в тройной точке, за исключением критической области. Рассчитаны калорические свойства и скорость звука аргона, азота и диоксида углерода без привлечения каких либо калорических данных, за исключением энтальпии идеального газа. Полученные значения изохорной теплоемкости, скорости звука и других термодинамических свойств хорошо согласуются с экспериментальными (надежными табличными) данными.

Представлена полуэмпирическая модель интенсивного испарения, построенная на базе линейной кинетической теории. Экстраполированные скачки давления и температуры на поверхности конденсированной фазы получены суммированием линейного и квадратичного составляющих. Найдены аналитические зависимости параметров пара в газодинамической области от числа Маха, коэффициента конденсации, а также числа степеней свободы молекулы идеального газа. Результаты расчета по полуэмпирической модели хорошо согласуются с результатами известных аналитических и численных исследований.

Приводятся результаты экспериментальных исследований динамики взрывного кипения и третьего кризиса теплоотдачи в условиях недогрева жидкости при вертикальном расположении теплоотдающей поверхности. В опытах использовался ацетон при давлении в рабочем объеме от 20 до 46 кПа, недогреве от 0 до 20 K. Проводились видеосъемки исследуемых процессов. Получены данные по скорости распространения фронта испарения при недогревах жидкости. Приведено сопоставление этих данных с результатами расчетов по имеющимися в литературе моделям. Исследовано влияние недогрева жидкости на области режимных параметров, при которых реализуется взрывное кипение и третий кризис теплоотдачи.

Экспериментально исследуется эффективность работы пары ветрогенераторов для случая, когда модель второго ротора располагается соосно в следе за первым. Рассматриваемая конфигурация соответствует максимальному уровню потерь в ветроэлектростанциях, так как в следах за роторами происходит максимальное торможение набегающего потока. В результате тензометрических измерений были определены зависимости безразмерных силовых характеристик обоих роторов для различных режимов при разных быстроходностях, в зависимости от расстояний между ними. Полученные результаты представляют интерес для дальнейшего развития аэродинамики ветроустановок как с целью оптимизации работы действующих ветроэлектростанций, так и при их проектировании и расчете для уменьшения потерь мощности из-за взаимодействия со следами от других ветрогенераторов.

С использованием двух коммерческих CFD-решателей (Star-CCM+ и Fluent) получены результаты численного моделирования влияния шероховатости поверхностей на газодинамические процессы, происходящие в проточной части сверхзвукового эжектора. Результаты сопоставлялись между собой и верифицировались натурным экспериментом как по коэффициенту инжекции, так и по величине статического давления вдоль стенок камеры смешения и диффузора. Проведено детальное сравнительное исследование используемых методов и подходов в обоих CFD-пакетах по оценке влияния шероховатости на логарифмический закон распределения скоростей внутри пограничного слоя. Влияние шероховатости в струйном аппарате эжектора сопоставлено с влиянием противодавления за диффузором. Установлено, что при возрастании противодавления эжектора и высоты шероховатости поверхности, сечение, где возникает скачок давления, смещается вверх по потоку. Результаты численных расчетов эжектора с шероховатыми стенками в обоих CFD-решателях хорошо согласуются между собой количественно по среднеинтегральным характеристикам и качественно ¾ по локальным характеристикам потока. Установлено, что в случае превышения «критической высоты шероховатости» для заданных граничных условий и геометрии проточной части эжектора последний переходит на допредельный (off-design) режим работы и его производительность значительно снижается.

Рассмотрены аварийные ситуации, типичные для импульсных труб с электродуговым или комбинированным подогревом рабочего тела при наличии систем стабилизации и управляемого вскрытия диафрагмы в случае, если дуговой разряд в форкамере не происходит и конденсаторная батарея при запуске систем трубы остается в заряженном состоянии. Для предотвращения аварийных ситуаций в конструкцию установок вносятся следующие изменения (за счет введения элементов с обратной связью), дающие разрешение на дальнейшую работу систем установки лишь при наличии роста давления в форкамере за счет теплоподвода: поршень быстродействующего клапана выполнен полым для увеличения объема запирающей полости с целью исключения необходимости сбрасывания давления из запирающей полости; канал высокого давления, связывающий поршень со штоком с полостью форкамеры, заполнен жидкостью и закрыт со стороны форкамеры поршнем; устройство принудительного вскрытия диафрагмы снабжено внешней электрической схемой управления вскрытием диафрагмы.

Приведены результаты экспериментального исследования теплоотдачи цилиндра в пульсирующем внешнем потоке. Получены распределения локального коэффициента теплоотдачи поверхности цилиндра, которые соотносятся с четырьмя режимами его обтекания, выделенными ранее авторами. Введено новое число подобия для пульсирующих потоков, представляющее отношение ускорения потока при его нестационарном движении к центробежному ускорению, возникающему за счет искривления линий тока при обтекании цилиндра. На основе обобщения экспериментальных данных получены зависимость осредненного коэффициента теплоотдачи от указанного критерия подобия и поправочный множитель к известному критериальному соотношению для обтекания цилиндра стационарным потоком воздуха, учитывающий влияние параметров вынужденных пульсаций потока на осредненную теплоотдачу цилиндра.

Представлены результаты численного расчета свободной ламинарной конвекции и теплообмена между двумя параллельными изотермическими пластинами при наличии на поверхности канала одиночного ребра. Исследования проведены для канала с удлинением AR = L/w = 10, где L - высота канала, а w - расстояние между пластинами. Бесконечно тонкое адиабатное ребро располагалось на одной из стенок канала на половине его высоты. Относительная высота ребра l / w изменялась в диапазоне 0 ÷ 0,8. Температура стенок была выше температуры окружающей среды, а число Релея изменялось в диапазоне Ra = 10² ÷ 10⁵. Основное внимание уделено изучению влияния высоты ребра и числа Релея на локальный и интегральный теплообмен и число Рейнольдса в канале (конвективную тягу). Показано принципиальное отличие распределения теплоотдачи по высоте канала на стенке с ребром и на гладкой поверхности. Проведены сопоставления результатов расчета со случаем симметричного распределения ребер на обеих стенках с суммарной высотой, равной одиночному ребру.

Представлены результаты экспериментальных исследований гидродинамических процессов, происходящих при сжигании стехиометрической смеси пропана с кислородом в камерах сгорания различных конфигураций, затопленных вертикально в воду. Проведены измерения импульсов силы, действующих на тяговую стенку, для цилиндрических, конических, полусферических и кольцевых камер сгорания, включая сжигание газа на плоской тяговой стенке. Показано, что после сжигания одной порции стехиометрической пропан-кислородной смеси на тяговой стенке развиваются процессы циклической генерации импульсов силы: первый импульс формируется вследствие повышения давления при сжигании газа, а последующие импульсы - за счет гидродинамических пульсаций газовой полости. Экспериментально показано, что для получения эффективной генерации тяги необходимо использовать все пульсации пузыря при сжигании одной порции газового заряда. В представленных экспериментах удельные импульсы силы на тяговой стенке находились в интервале 10⁴-10⁵ с (10⁵-10⁶ м/с) с учетом положительных и отрицательных составляющих.

Численно исследованы характеристики газофазного зажигания слоя измельченного бурого угля марки 2Б Шивэ-Овооского месторождения Монголии при взаимодействии с одиночной и несколькими нагретыми до высоких (более 1000 К) температур металлическими частицами. Разработанная математическая модель процесса учитывает прогрев и термическое разложение угля за счет теплоты, подводимой от остывающих локальных источников, а также выход летучих компонентов, формирование и прогрев газовой смеси, ее воспламенение. Определены условия совместного влияния нескольких частиц на основную характеристику процесса - время задержки зажигания. Выявлена связь положения зоны инициирования горения в окрестности локальных источников энергии с интенсивностью прогрева горючей газовой смеси. Установлено, что при расстоянии между соседними частицами, превышающем в 1,5 и более раз характерный размер последних, анализ характеристик и закономерностей зажигания угля несколькими локальными источниками можно выполнять в рамках модели «одиночная металлическая частица-измельченный уголь-воздух». Также с использованием этой модели показано, что увеличение высоты горячей частицы наряду с уменьшением времен задержки ведет к снижению начальных температур источника, необходимых для зажигания твердого топлива. При неидеальном тепловом контакте на границе «металлическая частица-измельченный уголь», обусловленном естественной пористостью структуры последнего, снижается интенсивность процесса инициирования горения вследствие менее существенного влияния излучения в области пор на условия теплопередачи по сравнению с теплопереносом за счет кондукции в приповерхностном слое угля без учета его гетерогенной структуры.

Выполнены кинетические расчеты плазменной переработки органических отходов в воздушной и паровой средах. Показано, что за время пребывания отходов в плазменном реакторе 0,7 и 1,2 с на выходе из реактора образуется высококалорийный топливный газ с теплотой сгорания около 3540 и 5070 ккал/кг соответственно. При этом из 1 кг отходов образуется 1,16 кг горючего газа при воздушной и 0,87 кг чистого синтез-газа при паровой газификациях отходов. Энергетическая эффективность процесса газификациях отходов, определяемая отношением теплоты сгорания получаемого горючего газа к исходной теплоте сгорания отходов, в воздушной плазме составляет 91 %, а в паровой плазме - 98 %. Сопоставление результатов кинетических и термодинамических расчетов показало хорошее согласование.

Проведен термодинамический анализ процессов плазменной газификации различных возобновляемых углеродсодержащих материалов с использованием различных кислородсодержащих окислителей (кислород, воздух, вода). Подтверждена возможность получения калорийного синтез-газа, пригодного для нужд теплоэнергетики.

Исследована структура керамики, полученной методом плазменного напыления сферических порошков TiO₂. Выполнена электронная микроскопия поверхностей, сколов частиц исходного порошка и синтезированного в процессе напыления керамического покрытия. Рентгеновская дифракция и комбинационное рассеяние показали, что покрытия имеют в основном структуру рутила. Данные комбинационного рассеяния и рентгеновской дифракции обнаруживают также в составе покрытия аморфную фазу, фазы анатаза и нестехиометричные фазы Ti₈O₁₅, Ti₁₀O₁₉, Ti₇O₁₃ и др. Подавление рефлексов (011) и (111) и увеличение интенсивности рефлекса (110) свидетельствуют о наличии в синтезированной керамике преимущественной ориентации зерен. Рассмотрены механизмы формирования сложной структуры покрытий.

Приведены экспериментальные и расчетные данные о влиянии нагрева ячеисто-пористого материала на волновое сопротивление цилиндра с передней газопроницаемой пористой вставкой, обтекаемого сверхзвуковым потоком (М_∞ = 4,85, Re_1∞ = 3,3x10⁶ м^-1). Данные весовых измерений, полученные в сверхзвуковой аэродинамической трубе, сопоставлены с результатами численного моделирования обтекания, использующего дискретную модель ячеисто-пористого материала. Показано увеличение волнового сопротивления с ростом температуры пористой вставки и его уменьшение при понижении температуры.

Рассматривается технология производства электроэнергии на комбинированной мини-ТЭС, работающей при сочетании циклов Отто и Ренкина. Представлены основные положения методики исследования. Показано, что конструктивно-компоновочные параметры всех основных энергетических элементов, присущих разработанной технологии, позволяют выполнить ее в блочно-модульном варианте, а КПД по отпуску электроэнергии по предлагаемой технологии составит не менее 50 %.