On the influence of periodic pulsations of a gas-cooler on heat exchange characteristics in a system of porous cooling.pdf Системы пористого охлаждения находят широкое применение в технике: по-ристые топливные элементы ядерных реакторов, различные компактные пароге-нераторы, испарительные системы, фильтры, элементы тепловой защиты лета-тельных аппаратов [1 - 3]. Эксплуатация таких систем, как правило, сопровожда-ется малыми возмущениями - вибрациями стенок, пульсациями давления, акусти-ческими колебаниями, турбулентными шумами. В зависимости от типа возмуще-ний, частоты и амплитуды колебаний фильтрационные и тепловые характеристи-ки пористых материалов могут искажаться.Вибрации машин могут оказаться причиной ненормального их функциони-рования и приводить к авариям, кроме того, вибрации при достаточной интен-сивности оказывают вредное влияние на человека. Однако существует целыйкласс машин, в которых вибрации служат основой рабочего процесса.Колебательное движение газа и жидкости служит причиной интенсифика-ции обширного круга процессов тепло- и массопереноса и приводит к усиле-нию теплообмена тел, сушки, диффузии, растворения, электроосаждения и т.д.[4 - 8].Проблема малых возмущений особенно актуальна при изучении переходаламинарных течений в турбулентные, генерации турбулентных акустическихшумов, при исследовании восприимчивости турбулентных течений к периоди-ческим возмущениям [3, 4, 9 - 14].Колебательные и вибрационные процессы сопутствуют почти всем явлени-ям природы и могут быть как полезны, так и вредны. Вопросы интенсификациипроцессов тепломассообмена, управление пограничными слоями, оптимизацияпроизводства в теплоэнергетике и химической технологии представляют инте-рес как с научной точки зрения, так и с практической. Следовательно, актуаль-ность рассматриваемых задач вытекает из потребностей развития энергетики,машиностроения, ракетно-космической техники, химических технологий на со-временном этапе.Целью данной работы является исследование системы пористого охлажденияв присутствии малых энергетических возмущений, а также сравнение полученныхрезультатов с известными.На рис. 1. показана принципиальная схема проведения экспериментов. Пласти-ны 1 из пористых материалов (нержавеющая сталь) герметично поджимались в ма-лое основание усеченного конуса 2. Стрелками 3, 4 обозначены вдуваемый газ (воз-дух, азот) и внешний поток воздушной плазмы. Пульсации давления газа-охладителя и линейные относительно оси симметрии модели вибрации генерирова-лись с помощью вала электродвигателя 5 и червяка 6. Частота возмущений f и ам-плитуда А регулировались скоростью вращения вала электродвигателя ƒ и геомет-рическими размерами червяка. Частота и амплитуда варьировались в пределахf =(0−25)Гц, A=(0,5−7,0)⋅10−3 м.4440332156fƒPkyРис. 1. Модель для сравнительных испытаний: 1 - пористая пластина;2 - модель в виде усеченного конуса; 3 - вдуваемый газ (воздух, азот);4 - внешний поток воздуха; 5 - электродвигатель; 6 - червякПараметры воздушной плазменной струи составляли: T=(3300−4900) K -среднемассовая температура (определялась из условия энергетического балансаработы плазмотрона по известной методике, изложенной в работах [15, 16], по-грешность определения не превышала 10 %); G =1,0⋅10−3 кг/с - расход плазмо-образующего газа (определяется ротаметром типа РС (РМ, РМЖ), класса точно-сти 2,5, погрешность определения не превышала 5 %; Te=(3100−3600) K - тем-пература плазмы в рабочем сечении струи (определялась с помощью калоримет-рического зонда по известной методике, изложенной в работе [17], погрешностьопределения не превышала 9 %); ƒe = (32−57) м/с - скорость плазмы в рабочемсечении струи определялась водоохлаждаемым насадком Пито с погрешностью неболее 8 %.Процесс тепломассообмена в пористой стенке при наличии вдува газа-охладителя описывается с помощью двухтемпературной нестационарой модели,предложенной в работе [18] Ю.В. Полежаевым. Она представлена в виде законовсохранения тепла в твердой стенке (1) и в газе (2).1 11p1(1 П) 1(1 П) V(1 2)c T T TTt x xƒ −  = ⎡⎢⎣ƒ −  ⎤⎥⎦+ƒ −; (1)2 2 2Пp2 2 2П V(1 2)c T vT T T Tt x x xƒ ⎛⎜⎝ +  ⎞⎟⎠= ⎛⎜⎝ƒ  ⎞⎟⎠−ƒ −(2)с граничными условиямиT1t 0 T2t 0 Tt 0 Tн = = = = = =; (3)( 4 ) 11 10w w (1 П) (1 П)xq T Tx =− ƒƒ − = −ƒ − ⎛⎜⎝ ⎞⎟⎠; (4)( 4 ) 22 20w w П Пxq T Tx =− ƒƒ = −ƒ ⎛⎜⎝ ⎞⎟⎠; (5)11(1 П) (1 н )x lT T Tx =−ƒ − ⎛⎜⎝ ⎞⎟⎠ = ƒ −; (6)2 г2П (2 н)x l ( )wT c T Tx =−ƒ ⎛⎜⎝ ⎞⎟⎠ = ƒƒƒ −. (7)Здесь t - время; Т1 - температура стенки; Т2 - температура газа-охладителя; Тн -начальная температура; ƒ - плотность; ƒ - скорость фильтрации газа 2; (ƒƒ)w -расход газа-охладителя в порах; cp, ƒ - коэффициенты теплоемкости, теплопро-водности; П - пористость; ƒv - объемный коэффициент теплообмена между га-зом и каркасом; ƒ - постоянная Стефана - Больцмана; h - энтальпия; qw - плот-ность теплового потока, 0 (ƒ cp)- отношение коэффициента теплоотдачи к коэф-фициенту теплоемкости, ƒ - коэффициент удельной теплоемкости.В условиях проведения экспериментов использовались сильные вдувы B > 2,поэтому рассматриваемую задачу можно свести к одномерной однотемператур-ной постановке:220 н;( ) ;,e wp x lld T adTdx dxh h Tc xT T=== −⎛ƒ⎞ ⎜⎜⎝ ⎟⎟⎠ − =−ƒ =(8)B ( /сp)0 cp2a⋅ ƒ ⋅=ƒ,B - безразмерный параметр вдува,0( )( / )wpBсƒƒ=ƒ.Интегрируя (8), получим аналитическое решениенн(1 ) 1(1 )al axe ealp pT a h e T e T he a c a a c− −−ƒ ⎡ƒ − − ⎛ƒ ƒ ⎞⎤=ƒ − +ƒ ⎢⎢⎣ ƒ + + ⋅⎜⎝⎜ ƒ − ƒ⎟⎠⎟⎦⎥⎥(9)Теперь добавим в решение (9) малые энергетические возмущения, представ-ленные в следующем виде [19]:cos( )2ƒ = ƒxƒ ƒtƒ- значения пульсаций скорости газа-охладителя;ƒ =ƒ- пульсационная составляющая эффективного коэффициента теплопроводности,где ƒ = 2ƒƒ . Здесь ƒx - амплитуда колебаний, ƒ- циклическая частота.Получаем следующее решение:нн( ) (1 ) 1(1 ) ( ) ( ) ( )al axe ealp pT a h e T e T he ac a a c− −−ƒ + ƒ ⎡ƒ − − ⎛ƒ ƒ ⎞⎤=ƒ − + ƒ + ƒ ⎢⎢⎣ ƒ + ƒ + + ⋅⎜⎝⎜ ƒ − ƒ + ƒ⎟⎠⎟⎦⎥⎥(10)На рис. 2 показаны результаты измерений температуры пористой стенки в ок-рестности лобовой критический точки в зависимости от параметра вдува безпульсаций газа-охладителя - кривая 1, с пульсациями частоты 5,2 Гц - кривая 2,и 7,2 Гц - кривая 3.0 2 4 6 8 B0,10,2Tw/TРис. 2. Экспериментальные зависимости безразмерной температуры(T = 3600 К) стенки от параметра вдува (B). Кривая 1 - без пульса-ций газа-охладителя, кривая 2 - пульсации с частотой 5,2 Гц, кривая3 - пульсации с частотой 7,2 ГцВидно, что пульсации газа снижают тепловые нагрузки, температура стенкипри этом уменьшается. Такая тенденция наблюдается во всем диапазоне иссле-дуемых параметров вдува 2,0 ≤ B ≤ 7,8.На рис. 3. представлено сравнение экспериментальных результатов для без-размерной температуры стенки с пульсациями газа частоты 5,2 Гц, кривая 2 и ре-зультатов, полученных при помощи найденного аналитического решения (10),кривая 1. Из рис. 2 видно, что для слабых вдувов B < 2,5 аналитическое решение(10), основанное на математической модели [18] удовлетворительно согласуютсяс результатами эксперимента. Для сильных вдувов B > 2,5 наряду с регенератив-ным снижением тепловых нагрузок к защищаемой стенке (механизм охлажденияза счет процессов конвекции и теплопроводности) присутствует механизм оттес-нения пограничного слоя и высокотемпературного набегающего потока, что неучитывается в модели [18] и поэтому наблюдается существенное расхождениеэкспериментальных и расчетных результатов, кривая 2 на рис. 3. находится нижекривой 1.Tw/TРис. 3. Зависимость безразмерной температуры стенки от параметравдува. Кривая 1 - кривая, полученная при помощи найденного ана-литического решения (10), кривая 2 - экспериментальная кривая спульсациями частотой 5,2 ГцТаким образом, пульсации газа-охладителя в исследуемом диапазоне ампли-тудно-частотных характеристик колебаний ослабляют процесс теплообмена меж-ду потоком плазмы и стенкой. Механизм воздействия малых периодических воз-мущений на системы пористого охлаждения, следующий [17].Периодические возмущения приводят к появлению дополнительного «транс-порта» тепла вглубь защищаемой стенкиq= −(ƒ + ƒcpƒu2/ƒ) T/ x за счет эф-фективного коэффициента теплопроводности 2ƒэфф =ƒ=−ƒсpƒu /ƒ. Расчеты[19] показывают о возможном пятикратном увеличении ƒэфф. Поэтому температу-ра поверхности пористого материала и плотность теплового потока при пульса-циях газа уменьшаются.

Скачать электронную версию публикации