Дипломы, курсовые, рефераты, контрольные...
Срочная помощь в учёбе

Моделирование тепломассопереноса в нелинейных задачах о пограничном слое на поверхности с проницаемыми участками

Диссертация: Моделирование тепломассопереноса в нелинейных задачах о пограничном слое на поверхности с проницаемыми участками
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Исследование проблем в этой области является насущной необходимостью, поскольку существует дефицит простых и надежных инженерных методов расчета, которые в будущем позволят полностью рассчитывать и проектировать системы теплозащиты теплонапряженных поверхностей в энергетических установках. Экспериментальные данные частично подтвердили физическую обоснованность и корректность математических… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Проблема тепловой защиты поверхности при транспирационном охлаждении в энергетических установках
    • 1. 1. Состояние вопроса по проблеме тепловой защиты поверхности, обзор экспериментальных работ
    • 1. 2. Обзор математических моделей, описывающих системы тепловой защиты поверхности
    • 1. 3. Решение уравнения энергии и определение касательного напряжения трения на пластине в пограничном слое
  • 2. Задача о тепловой защите массопереносом теплонапряженной поверхности
    • 2. 1. Выбор системы охлаждения
    • 2. 2. Анализ исходных данных, необходимых для решения задачи
    • 2. 3. Анализ подходов к решению задачи тепломассообмена на поверхности на основе численных методов
      • 2. 3. 1. Применение численного метода конечных разностей для решения задачи тепломассопереноса на поверхности
    • 2. 4. Постановка задачи тепломассопереноса на теплонапряженной поверхности энергоустановки
  • 3. Моделирование пограничного слоя со вдувом на теплонапряженной поверхности энергетической установки
    • 3. 1. Аналитическое решение уравнения диффузии для определения концентрации вдуваемого компонента в пограничном слое
      • 3. 1. 1. Преобразование уравнения диффузии
      • 3. 1. 2. Решение уравнение диффузии в заданных граничных условиях
    • 3. 2. Аналитическое решение уравнения энергии на пластине в пограничном слое
      • 3. 2. 1. Преобразование уравнения энергии
      • 3. 2. 2. Аналитическое решение тепловой задачи в пограничном слое при пористом охлаждении
  • 4. Практическая реализация результатов диссертационной работы при экспериментальных исследованиях по проблеме тепловой защиты поверхности
    • 4. 1. Сравнение результатов аналитического моделирования с данными экспериментов по исследованию процессов тепломассопереноса на теплонапряженных поверхностях энергетических установок
      • 4. 1. 1. Описание экспериментальной установки по изучению теплообмена на пластине
      • 4. 1. 2. Методика проведения эксперимента по исследованию процессов теплообмена
      • 4. 1. 3. Сопоставление результатов математического моделирования с экспериментальными данными по массопереносу на пластине
    • 4. 2. Сопоставление данных экспериментального исследования пористого охлаждения поверхности диффузора с результатами математического моделирования процессов тепломассопереноса на поверхности
    • 4. 3. Численный расчет задачи о концентрации вдуваемого компонента в пограничном слое
    • 4. 4. Численный расчет задачи теплового состояния теплонапряженной поверхности

Моделирование тепломассопереноса в нелинейных задачах о пограничном слое на поверхности с проницаемыми участками (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность темы

Современное развитие науки и техники требует совершенствования предыдущих и разработки новых расчетных методов, с помощью которых появляется возможность исследовать процессы тепломассопереноса на поверхностях, подверженных высокотемпературному газовому потоку, с целью повышения эффективности систем охлаждения и снижения времени и стоимости затрат на этапы разработки и проектирования.

Исследование проблем в этой области является насущной необходимостью, поскольку существует дефицит простых и надежных инженерных методов расчета, которые в будущем позволят полностью рассчитывать и проектировать системы теплозащиты теплонапряженных поверхностей в энергетических установках.

В настоящей работе, на базе накопленного материала по ламинарному пограничному слою, решается задача тепломассообмена на проницаемой поверхности при наличии вдува (отсоса) через проницаемые вставки.

В частности, существует проблема защиты стенок энергоустановок от высокотемпературного потока газа, которая сводится к вопросу повышения эффективности, компактности, а также необходимости уменьшения расхода охладителя и массы системы охлаждения. К числу таких систем защиты поверхности от высокотемпературного газового потока относятся транспирационные системы охлаждения, которые могут быть выполнены в виде сплошной стенки с пористыми вставками, посредством которых через тракты охлаждения подается охладитель. Ее преимущество выражается в двойном эффекте: охладитель при прохождении через пористую матрицу отбирает часть теплоты за счет теплообмена с пористым материалом, и затем через пористые вставки попадает на поверхность, где образует защитный слой. Решение данной задачи сопряжено с рядом затруднений. Она описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений, которая в общем виде не имеет точного аналитического решения. В реальных энергоустановках характер течения основного потока является турбулентным, а модели, описывающие турбулентное течение, в основном носят статистический характер, что также вносит известные затруднения. И, наконец, сложность моделирования такой задачи одновременно по всем интересующим параметрам, т. е. совместного решения тепловой и массообменной задач.

Таким образом, исследование вопросов тепловой защиты поверхности от высокотемпературного газового потока является современной и актуальной задачей.

Данная работа выполнялась в рамках госбюджетной работы «Гранты» № 8/99 в Воронежском Государственном техническом университете.

Целью настоящей работы является дальнейшее исследование и разработка методик моделирования задач тепломассопереноса в пограничном слое при тепловой защите массопереносом для обеспечения эффективного охлаждения теплонапряженных поверхностей энергоустановок.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

1. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований гидродинамики и теплообмена в пограничных слоях и разработка методик расчета ламинарного пограничного слоя сжимаемого газа, позволяющих определять поля концентрации и температуры при переменном вдуве (отсосе).

2. На основе полученных методик провести компьютерное моделирование процессов тепломассообмена на поверхности с целью подтверждения полученных математических моделей.

Научная новизна данной работы:

1. Разработаны математические модели и методики расчета, позволяющие определять поля концентрации и температуры при обтекании однофазной жидкостью (газом) пористой поверхности с разрывными граничными условиями, переменном вдуве (отсосе), и касательном напряжении трения.

2. Проведено компьютерное моделирование на основе полученных аналитических выражений, описывающих поля концентрации и температуры, позволяющие выявить влияние разрывных граничных условий и переменных вдува (отсоса) через проницаемую вставку на эффективность защиты массопереносом теплонапряженных поверхностей энергоустановок.

Достоверность результатов. Основные выводы и положения диссертации строились на решении фундаментальных уравнений переноса массы и тепла для сжимаемого пограничного слоя. Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием полученных расчетных результатов и экспериментов других авторов.

Научная и практическая значимость настоящей диссертации представлена тем, что разработаны модели, описывающие ламинарный пограничный слой на пластине с участками вдува (отсоса), обтекаемые высокотемпературным потоком, которые дают возможность:

1. Моделировать температурное состояние поверхности пластины в зависимости от параметров внешнего потока, параметров вдува (отсоса) и геометрии расположения проницаемых участков, что позволяет оценивать и прогнозировать тепловое состояние теплонапряженных поверхностей энергоустановок.

2. Строить профили концентрации вдуваемого компонента в ламинарном пограничном слое вдоль обтекаемой поверхности в зависимости от параметров вдува (отсоса), что дает возможность определять оптимальное количество подаваемого охладителя.

Апробация работы. Материалы и результаты, выполненные по теме диссертационной работы, докладывались и обсуждались на Международной конференции — 13-й Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Санкт-Петербург, 2001) — 1-й Международной научно-технической конференции «Разработка, производство и эксплуатация турбоэлектронасосных агрегатов и систем на их основе. СИНТ-01» (Воронеж, 2001) — Второй научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (Воронеж, 2001) — Региональном межвузовском семинаре Центрально-Черноземного региона «Процессы теплообмена в энергомашиностроении» (Воронеж, 1999;2002).

Публикации. По теме диссертации опубликованы монография и 7 работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в /55 — 58/ на основе разработанной аналитической методики моделирования ламинарного пограничного слоя решена задача теплои массопереноса с разрывными граничными условиями на полубесконечной пластине. В /8/ представлен литературный обзор по проблемам тепломассопереноса в ламинарном пограничном слое с целью выявления экспериментальных результатов по вопросам тепловой защиты поверхности и поиску математических моделей ламинарного пограничного слоя. В /9/ проведена систематизация имеющихся материалов по проблемам моделирования пограничного слоя. В /75,76/ проведен численный эксперимент по аналитическим зависимостям температуры и концентрации на пластине с участками вдува (отсоса).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, содержит список литературы, включающий 75 наименований. Основная часть работы изложена на 110 страницах и содержит 34 рисунка.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. В диссертационной работе получила дальнейшее развитие разработка расчетных методик моделирования процессов тепломассообмена в системах транспирационного охлаждения теплонагруженных элементов конструкций энергоустановок.

2. Для расчета полей температур разработана аналитическая методика расчета в задачах о ламинарном пограничном слое при обтекании проницаемой поверхности с привлечением методов операционного исчисления.

3. Предложена методика определения полей концентрации вдуваемого компонента в пограничный слой. Получены аналитические выражения функции концентрации при разрывных граничных условиях в зависимости от скорости вдува (отсоса), продольной координаты, которые позволяют исследовать конвективный массоперенос на и за участком вдува (отсоса) охладителя.

4. Экспериментальные данные частично подтвердили физическую обоснованность и корректность математических моделей и разработанных методик решения широкого класса задач о течении процессов тепломассопереноса в пограничном слое при наличии проницаемой поверхности с участками вдува (отсоса).

Показать весь текст

Список литературы

  1. С.С., Леонтьев А. И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М: «Энергия». 1972. — 322 с.
  2. R.J. Goldstein, Т. Yoshida The influence of a laminar boundary layer and laminar injection on film cooling performance. //Теплопередача. 1982.- Т. 104.-C. 136−143.
  3. Т.Ф. Экспериментальное исследование пористого и комбинированного охлаждения при турбулентном течении воздуха. // ИФЖ. -1969. Т. XVI -№ 3.- С. 417−421.
  4. И.С. Экспериментальное исследование пористого охлаждения поверхности // Изв. Вуз. Машиностроение. 1976. — Т. 7- № 7- С. 80−82.
  5. П.Н., Веригин И. С. Влияние поперечного потока массы на на теплообмен и динамику потока при турбулентном течении нагретого воздуха в осесимметричном диффузоре с проницаемой стенкой. //ИФЖ. 1970. -Т. XIX.-№ 2- С. 80−82.
  6. И.С. Опытное исследование теплообмена в диффузорном канале с отрывом пограничного слоя // Вопросы двигателестроения. Ученые записки Ярославского политехнического института. 1972 — Т. XXIV. -С. 45 -55.
  7. А.И., Фалеев С. В. Особенности моделирования тепломассообмена в ламинарном пограничном слое / Воронеж, гос. техн. ун-т, 2000. 25с. Деп. в ВИНИТИ — 15.01.00. -№ 376−800.
  8. С.В., Житенев А. И., Фалеев В. В. Нелинейные задачи механики в пограничном слое / Воронеж, гос. техн. ун-т. 2001. 119с. Деп. в ВИНИТИ -04.05.01, № 1156−1301.
  9. А., Дегани Д., Залманович С. Теплообмен в ламинарном пограничном слоепри наличии расположенного на стенке теплового источника. // Теплопередача. 1982, — Т. 104. -№ 1. С. 98−104.
  10. А., Зигель Р. Определение формы охлаждаемой области, заполненнойпористым материалом. // Теплопердача.- 1982.- Т.104.- № 4.-С.138 144.
  11. B.C., Щеглова В. М. Трехмерный ламинарный пограничный слой на проницаемой пластине // ИФЖ, — 1969, — Т. XVI-№ 3- С. 389−397.
  12. Г., Госман А. Д., Лаундер Б. Е. Расчет трехмерных процессов охлажденияпри вдуве через дискретные отверстия. Часть 2. Турбулентное течение // Теплопередача. 1981.- Т. 103-№ 1-С.163−169.
  13. Д.П., Андреев Е. Ф. Теплообмен при ламинарном течении и пульсационном всасе в пористую пластину жидкости с последующей ее сублимацией в вакуум. // Известия ВУЗОВ, Энергетика. 1975.- Т. 47.- № 4.1. С. 57−64.
  14. Д.П. Исследование теплообмена на поверхности за участком теплообмена //Известия ВУЗОВ СССР Энергетика. — 1970. — № 4, — С. 127 — 131.
  15. Д.П., Деркачев В. И. Автореферат кандидатской диссертации, МЭИ.1972.- 16 с.
  16. Д.П. и др. Решение задач теплопереноса с произвольными краевымиусловиями //ИФЖ. 1970.- Т. 19, — № 2, — С. 45−52.
  17. В.И. Автореферат кандидатской диссертации, МЭИ, 1972.
  18. В. Г. Павлюкевич И.В. О сублимации тонкой пластины в потоке газа.
  19. ИФЖ. 1966. — Т. X. — № 2. С. 45−49.
  20. В.П. Ресчет теплообмена и течения плоской пластины, обдуваемойсверхзвуковым потоком, при наличии пористого подвода газа и сублимации в условиях ламинарного пограничного слоя. //Известия ВУЗОВ СССР -Энергетика. 1970. — № 4. — С. 55−58.
  21. Г. Теория пограничного слоя. М.:ИЛ. 1956. 578 с.
  22. B.C. Ламинарный пограничный слой в сжимаемом газе на пористойили испаряющейся поверхности при малых продольных градиентах давления. Оборонгиз. 1956.- 325с.
  23. Yuan Sh. W. Heat transfer in laminar compressible boundary layer on a pourous flatplate with fluid injection. JAS. 1952. -№ 10.
  24. Morduchow On heat transfer over sweat cooled surface in laminar compressible flowwith a pressure gradient. JAS. 1952. — № 10.
  25. Л.В., Ганжелло A.H. К решению уравнения об оптимальном уравнениипограничного слоя на проницаемой границе профиля турбинной лопатки.
  26. Morduchow On heat transfer over sweat cooled surface in laminar compressible flowwith a pressure gradient. // J. Aeromant. Sci. 1952. V. 19. № 10. P. 705 — 712.
  27. Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. М.1. Наука. 1969.-384с.
  28. Л.С., Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Р. В., Мищенко Е.Ф.
  29. Математическая теория оптимальных процессов. М.:Наука. 1977.- 497с.
  30. Н.Н. Численные методы в теории оптимальных систем. М.: Наука.1971, — 424 с.
  31. Г. Теория пограничного слоя. М.:Наука. 1969. 742с.
  32. В.И., Катаев А. Г., Якимов А. С. Исследование температурных режимовобтекаемых тел при вдуве газа с поверхности. //Прикл. мех. и тех. Физика. -1992,-№ 6.-С. 57−64.
  33. В. А. Решетько С.М. О максимальной температуре затупления с учетомтеплопроводности. //Учен. зап. ЦАГИ. 1989.-Т. 20.-№ 5. -С. 27−31.
  34. В. А. Решетько С.М. Температурный режим затупленных клиньев иконусов в сверхзвуковом потоке с учетом теплопроводности материала стенки //Учен. зап. ЦАГИ. 1990.- Т. 21.-№ 4.-С. 61−65.
  35. С.В. Асимптотическое исследование пространственных течений вязкогогаза около затупленных тел с проницаемоц поверхностью. // Изв. ВУЗОВ. Физика.- 1993. Т. 36, — № 4, — С. 4 — 14.
  36. Э.А., Пейгин С. В., Тирский Г. А. Задачи теплообмена на поверхностипри высокоскоростном обтекании агрессивным потоком //Итоги науки и техники ВИНИТИ. Мех. Жидкости и газа. 1985. — Т. 19. — С. 3−85.
  37. С. В. Тирский Г. А. Численное решение задачи теплообмена наповерхности //Итого науки и техники ВИНИТИ. Мех. жидкости и газа. 1988. -Т.22.-С. 62- 177.
  38. Гершбейн Э.А. О методах решения задачи теплообмена в пограничном слое
  39. Прикладная математика и механика.- 1974. Т.38. — Вып. 6. — С. 1015 — 1023.
  40. Watson E.I. About heat transfer problems on a plate //Aer. Res. Cunc. Repts. 1952.2619.
  41. Э.А. Тепломассообмен на пластине при сильном вдуве (отсосе) //Изв.
  42. Э.А. // Гиперзвуковые пространственный течения при наличиифизико-химических превращений. М.: МГУ, — 1981. С. 29 — 51.
  43. В.И., Блажков А. Е. О поверхностном трении на проницаемой пластине.
  44. ИФЖ. 1978.- Т. XVII. № 2. — С. 45−51.
  45. Ruger C.J. Heat transfer in laminar compressible boundary layer //AIAA Journal.1967.-№ 5.-5.-P. 923−929,
  46. Lew H., Funucci J. On heat transfer over cooled surface //Aeron. Sci. — 1955. № 5.25, P. 589−597,
  47. Г. А. К вопросу об обтекании клина вязкими жидкостями //Вестник
  48. Ленинградского университета, № 3, 155- 119, 1960.
  49. В.И., Блажков А. Е. К вопросу о пограничном слое натеплоизолированной пластине // ИФЖ, Т. XVII, № 1.
  50. Мичем Н Ракетная техника и космонавтика //Журнал американского институтааэронавтики и касмонавтики, 1965.- Т.З.- № 6.- 127с.
  51. B.C. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике. М:.1. Оборонгиз., 1960.-390с.
  52. Ю.В. Полежаев, Ф. Б. Юревич. Тепловая защита. М: Энергия, 1976.-392с.
  53. О двухкомпонентном ламинарном пограничном слое на пластине с проницаемыми участками /В.В. Фалеев, А. Е. Блажков, С. В. Фалеев,
  54. А.А. Пограничный слой в сжимаемом газе // Прикладн. матем. имехан.- 1942.- Т. 6, — № 6. С. 449−486.
  55. Illingwort C.R. Steady flow in the laminar boundary layer of a gas // Proc. Roy. Soc.1949.-A 199.-P. 533−547. 32. Stewartson K. Correlabed compressible and incompressible boundary layers // Proc. Roy. Soc. 1949. — A 200. — P. 84−100.
  56. В.И., Блажков A.E. О поверхностном трении на проницаемой пластине
  57. ИФЖ. 1969. — Т. 17. — № 2. — С. 342−345.
  58. В.И., Блажков А.Е, К вопросу о пограничном слое на теплоизолированной пластине //ИФЖ. 1970. — Т. 18. — № 1. — С. 39−44.
  59. В.И., Блажков А. Е. Тепловой пограничный слой на неизотермическойпластине//Изв. ВУЗ. Авиац. техн. -1972. № 1. — С. 119−123.
  60. В. М. Майоров В.А., Васильев JI.JI. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. М. Машиностроение.- 1988.- 168с.
  61. Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисление.
  62. М.Наука.-1968.-Т.1, — 552с. Н. Пискунов Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисление. М.Наука. 1968.-Т.2.- 552с.110
  63. А.И., Фалеев С. В. Об эффективности тепловой защиты проницаемойповерхности при инжекции газа//Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ.-1999.-С. 218−219.
  64. А.И., Фалеев С.В. О некоторых задачах пограничного слоя со вдувом
  65. Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении: Вторая научно-техническая конференция. Воронеж: ВГТУ. 2001. -С. 125 — 134.1. УТВЕРЖДАЮ
  66. Первый зам. генерального директора КБХА,
  67. Начальник КБ ДП ТН КБХА, к.т.н1. Григорьев С.В.1. УТВЕРЖДАЮ1. АКТвнедрения результатов диссертационной работы аспиранта-очника Житенева А. И. в учебный процесс кафедры промышленной теплоэнергетики Воронежского государственноготехнического университета
  68. Заведующий кафедрой промышленной теплоэнергетики ВЕТУ, заслуженный деятель науки и техники РФ, /д.т.н., профессор У/
Заполнить форму текущей работой

Заказал и сдал!