Исследование переходного пограничного слоя в газодинамических каналах и на плоских пластинах

В энергетических машинах широко применяются различные каналы, где осуществляется разгон, торможение или подвод газа к узлам и элементам конструкций. Газодинамическая эффективность газоводов и выхлопных устройств в значительной степени меняется в зависимости от характера течения рабочего тела, как в пограничном слое, так и в ядре потока[4].

Известно большое число расчетных и экспериментальных работ, посвященных изучению как ламинарного, так и турбулентного пограничных слоев [1,10,14,19,21,40]. Вместе с тем изучению условий перехода и созданию расчетных методов, позволяющих производить расчетные оценки характерных параметров, связанных с областью перехода, посвящено очень малое количество научных работ [5,13].

Проблема ламинарно-турбулентного перехода, определение условий возникновения турбулентных течений, начало и протяженность переходного участка, возникновение и сохранение ламинарного течения при котором уровень гидравлического сопротивления и теплового воздействия минимален, является весьма важной и актуальной задачей, от успешного решения которой во многом зависит газодинамическая эффективность и массовые характеристики технических устройств.

Существует мнение, что переход от ламинарного режима течения к турбулентному занимает небольшую часть обтекаемой поверхности и часто эта область течения газа при расчетах пограничного слоя заменяется точкой (точкой перехода). В действительности переходный режим течения занимает заметную часть обтекаемой поверхности и имеет место при изменении числа Рейнольдса не менее чем на порядок.

Рассмотрим в качестве примера несколько случаев, в которых зона перехода играет важную роль. Результаты измерений локального теплопереноса в охлаждаемых лопатках турбин [49] показали, что для чисел Рейнольдса Яе = 10б, при уровне турбулентности набегающего потока г = 1,8% переходный пограничный слой располагается на расстоянии, составляющем свыше половины длины поверхности разряжения для исследованного профиля.

Другим примером является выполненное в работе [36] Масаки и Якурой исследование теплопередачи на поверхности космических кораблей типа «Спейс Шаттл». Конструкция системы термозащиты, которая может составлять более 10% сухого веса кораблей такого типа существенно зависит от величины максимальных тепловых потоков, определяемых течением в зоне перехода. Масаки и Якура показали, что уменьшение расчетных проектных значений максимальной температуры приблизительно на 280 0 С, которое вполне может быть оправдано более точными и моделями оценки протяженности зоны перехода, по сравнению с точечными значениями внезапного перехода, о которых упоминалось выше, может быть достаточным для коренного изменения характера конструкции системы защиты. Таким образом, знания о зоне перехода, в действительности, играют важную роль при разработке оптимальных форм возвращаемых кораблей с горизонтальной посадкой.

В связи со значительным увеличением стоимости топлива за последнее десятилетие важной задачей конструирования космических кораблей стало обеспечение эффективности использования топлива. Это пробудило интерес к проблемам, связанным с восстановлением ламинарности (Нарасимха и Срини-васан, [39]), уменьшением турбулентного сопротивления (Бушнел, [24]) и управлением перехода от турбулентного к ламинарному течению газа (Липман и Носенчук, [34]). Развитие этих идей требует, вероятно, лучшего понимания процессов, происходящих в зоне перехода, т.к. в оптимальных конструкциях многоразовых космических кораблей могут иметь место обширные зоны переходного течения в пограничных слоях.

Эти факторы повышают роль исследования переходного состояния в пограничном слое и методов расчета течения как с переходом из ламинарной формы течения в турбулентную, так и с обратным переходом из турбулентной в ламинарную.

Ранее опубликованные методы не позволяли проводить всесторонний анализ состояния пограничного слоя и переходной области на пластинах и в круглых каналах различной формы и назначения.

Это приводит к необходимости разработки обобщающего метода, основанного на использовании интегральных соотношений импульсов и энергии, то есть интегральный метод в виде дифференциальных уравнений с обыкновенными производными.

Такой метод позволяет с достаточной надежностью определять тепловые потоки и напряжения трения в круглых каналах и на плоских пластинах.

Для проведения инженерных расчетов при проектировании, достаточную точность и скорость счета дает интегральный метод расчета параметров течения в переходной области, объединенный с методами расчета ламинарного и турбулентного пограничного слоя.

Выполненные в диссертации исследования имеют большую практическую ценность, поскольку применение разработанного метода позволяет оптимизировать выбираемые параметры и тем самым снизить тепловые нагрузки и гидравлическое сопротивление, улучшить массовые характеристики энергетических установок.

Разработанный алгоритм расчета не требует использования сложных программ, например, графических станций, то есть персонального компьютера с небольшим объемом памяти вполне достаточно.

Предложенный метод позволяет рассчитывать течения в пограничном слое как с переходом из ламинарной в турбулентную, так и с обратным переходом из турбулентной в ламинарную, которую называют «ламинаризацией пограничного слоя» [17,18]. Создание метода расчета реализованного в виде программы, с помощью которой можно достаточно точно определять тепловые потоки и напряжения трения в сопловых каналах, при различных режимах течения (ламинарный, переходный и турбулентный) является основной целью настоящей работы.

Таким образом, цели работы можно сформулировать следующим образом:

— исследование переходной области течения потока в пограничном слое в круглых каналах и на плоских телах;

— создание физико-математической модели для моделирования переходной области течения в пограничном слое;

— разработка нового обобщающего метода расчета пограничного слоя, позволяющего определить параметры переходной зоны в пограничном слое;

— изучение характеристик пограничного слоя для течений с различными градиентами давления.

Научная новизна полученных результатов в работы состоит в следующем:

— исследование теплогидравлических характеристик каналов при различном характере течения жидкости или газа;

— предложена новая критериальная зависимость законов трения и теплообмена, описывающая переходную область течения в пограничном слое;

— разработан новый обобщающий метод расчета пограничного слоя в области перехода как из ламинарного в турбулентный, так и обратно — из турбулентного в ламинарный;

— получены новые зависимости для определения изменения толщины потери импульса в пограничном слое при обтекании тел с изломом образующей.

В данной работе защищаются следующие основные положения:

— результаты исследования переходного режима течения в пограничном слое в различных каналах;

— новый обобщающий метод расчета «переходного пограничного слоя, позволяющей точно определить тепловые патоки и напряжения трения в различных каналах и на плоских пластинах;

— критериальные зависимости, необходимые для определения параметров переходных зон, факторов, влияющих на процессе перехода в каналах.

86 Выводы.

1. Предложены зависимости теплообмена и трения, сформулированные в уравнения, связывающие напряжения трения и тепловые потоки с газодинамическими параметрами и условиями на внешней и внутренней границах пограничного слоя для переходного режима течения в пограничном слое.

2. Разработан интегральный метод расчета двухмерного несжимаемого и сжимаемого переходного пограничного слоя, основанный на представлении осред-ненных характеристик в виде нелинейных комбинаций соответствующих характеристик ламинарного и турбулентного пограничного слоя. С помощью метода можно достаточна надежно определять тепловые потоки и напряжения трения в круглых каналах и плоских пластинах при различных режимах течения.

3. Предложен метод, который позволяет рассчитать течения как с переходом из ламинарной формы течения в пограничном слое в турбулентную, так и с обратным переходом из турбулентной в ламинарную.

4. Предложена формула для расчета толщины потери импульса при обтекании излома образующей контура тела с углом в, использование которой позволяет с достаточной надежностью определить его величину.

5. Разработана программа для сквозного расчета пограничного слоя в ламинарной, переходной и турбулентной областях течения. Программа составлена на алгоритмическом языке Бейсика и позволяет с приемлемыми трудозатратами проводить непрерывный расчет пограничного слоя в осесиметричных каналах, на осесиметричных телах с изломом образующей и без излома и на плоских телах в сжимаемой и несжимаемой жидкости.

6. Расчета пограничного слоя по предложенному методу достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными в широком диапазоне изменения продольного градиента давления, чисел Маха, Рейнольдса и температурного фактора.

7. При наличии излома образующей и с ускорением потока в исследуемых каналах, толщина потери импульса после излома сильно уменьшается, переходный пограничный слой становится ламинарным (обратный переход) или турбулентный пограничный слой становится переходным. В каналах без излома образующей тоже благодаря наличию отрицательного градиента давления (в дозвуковой части) может иметь место обратный переход.

8. Для гладкой гидравлической обтекаемой поверхности при уровнях интенсивности турбулентности в каналах технических устройств в 3−8% основное влияние на числа Яе** перехода в пограничном слое оказывает число Маха.

9. Числа Рейнольдса начала и конца перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный в двух исследованных каналах с существенно различными градиентами изменения газодинамических параметров (Р&bdquo- =0,823 и Ри =0,151) хорошо согласуются между собой. Это указывает на слабое влияние интенсивности ускорения потока на характер течения в пограничном слое в каналах.