|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Экспериментальное исследование способов воздействия на эффект энергоразделения, возникающий при обтекании системы тел сжимаемым газовым потокомНИР
Experimental research of methods of influencing the energy separation effect arising from a compressible gas flow around a system of bodies
- Руководитель НИР: Здитовец А.Г.
- Ответственные исполнители: Виноградов Ю.А., Занчурин М.А., Киселёв Н.А.
- Подразделение: 108 Лаборатория аэродинамики больших скоростей и термогазодинамики
- Срок исполнения: 27 января 2022 г. - 31 декабря 2023 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 22-29-00443
- Номер ЦИТИС: 122022800548-0
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Газовая динамика и теплообмен.
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике
- ПН России: Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
- Критическая технология России: Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 30.17.35 Тепломассоперенос
- 44.31.35 Промышленная теплоэнергетика и теплотехника
-
Ключевые слова:
теплообмен, температурное разделение потоков, эффект эккерта-вейзе, обтекание пары цилиндра, коэффициент восстановления температуры, энергоразделение потоков
energy separation, heat transfer, temperature separation -
Описание:
Причины и условия возникновения энергоразделения в сжимаемом газовом потоке, а также способы воздействия на его величину являются фундаментальной проблемой, на исследование которой направлен данный проект.
-
Abstract:
The search for new ways to influence the intensity of heat transfer between a body and a single-phase gas flow i s an urgent problem of thermal physics. Usually to increase the value of the specific heat flux heat transfer enhancement methods associated with the applicati on of artificial flow turbulators are used. However, in the case of moderate subsonic gas flow (Mach number 0.3-0.6) , there is an additional opportunity to increase the specifi c heat flux ( heat transfer efficiency) - using the effect of gas-dynami c energy separation - spontaneous formation of hot and cold regions on the surface and in the wake of a bluff body. As experimentally discovered by Eckert, the temperature in the rear part of a transversely streamlined circular cylinder can obtain values significantly lower than the free-stream temperature ( at the free-stream Mach number of 0.65, the temperature in the vicinity of the cylinder rear end decreased by 20 degrees compared to the free-stream temperature) . Thus, due to the internal gas-dynamic processes occurring in the flow, it becomes possible not only to increase the temperature difference between the body and the gas flow, but also to carry out heat transfer between the flows of the same initial temperature. As shown by recent numerical study ( J ournal of Flui d Mechani cs ( 2021) , 915, N. A95) , in the case of a laminar flow, the relative positi on of streamlined bodies can significantly influence the effect of energy separation ( either i ncrease or decrease the effect in comparison with the case of a streamlining a single circular cylinder) . This circumstance allows us to assume the existence of optimal regimes of а flow around the system of bodies from the point of view of heat transfer efficiency. This project provides a detailed experimental research of the influence of the relative position of a system of bodies in a turbulent gas flow in the range of Mach numbers 0.3-0.6 on the effect of energy separati on in order to identify the regimes of maximum efficiency. The urgency of the problem is associated with the search for new ways to increase the efficiency of heat transfer in devices operating at low values of temperature difference, when standard methods for the heat transfer enhancement are insufficient.
-
Планируемые результаты:
Новые экспериментальные данные о зависимости таких параметров как: распределение адиабатной температуры стенки по поверхностям обтекаемых тел ( распределение коэффициента восстановления температуры) , распределение коэффициента давления для исследуемого диапазона режимных параметров расширят базу для верификации результатов, получаемых численными методами.
-
Научный задел:
Основой для реализации заявленного проекта являются результаты многолетних исследований, поддержанных грантами различных научных фондов. Авторами проекта получен ряд результатов по тепломассообмену в элементах энергетического оборудования, изучению способов теплозащиты стенок, управлению пограничным слоем, вихревым и отрывным течениям, сверхзвуковым течениям со сложными граничными условиями, использованию интенсификаторов теплообмена, эффекту газодинамического энергоразделения потоков. Создана материально-техническая база, отработаны методики для проведения экспериментальных и численных исследований, позволяющие ставить новые задач и и проводить исследования на мировом уровне в области газовой динамики и тепломассообмена. Коллектив авторов проекта имеет опыт создания автоматизированных экспериментальных комплексов, позволяющих проводить измерения с высокой частотой и точностью [Здитовец А. Г., Попович С.С., Киселёв Н.А. и др. Программная инженерия, 2017]. Разработаны и активно используются оригинальные экспериментальные методики: налаженная и многократно проверенная методика проведения экспериментального исследования процессов переноса теплоты и импульса в до- и сверхзвуковых турбулентных потоках как на установившемся, так и на нестационарном режиме ; метод экспериментального определения локальных значений коэффициентов теплоотдачи на теплообменных поверхностях метод экспериментального определения фактора аналогии Рейнольдса, а именно: одновременного измерения значений осредненных по поверхности коэффициентов теплоотдачи и сопротивления как для рельефной, так и для стоящей параллельно ей гладкой поверхности с последующим определением относительных коэффициентов теплоотдачи и сопротивления рельефной поверхности
- Добавил в систему: Здитовец Андрей Геннадьевич
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 27 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Экспериментальное исследование способов воздействия на эффект энергоразделения, возникающий при обтекании системы тел сжимаемым газовым потоком |
| Результаты этапа: Процесс перераспределения полной энтальпии (температуры торможения) в потоках сжимаемого газа без обмена энергией с окружающей средой принято называть энергоразделением. На его основе созданы устройства для безмашинного разделения потока на холодный и горячий (с температурой торможения меньше и больше начальной), например: трубы Ранка-Хилша, Гартмана-Шпренгера, Леонтьева. Повышение эффективности таких устройств, умелое использование эффекта энергоразделения в обычном теплообменном оборудовании, напрямую связано с пониманием причин энергоразделения, а также способов воздействия на его величину. В связи с этим актуальным является изучение процесса энергоразделения, возникающего при обтекании тел канонической формы (круглых цилиндров), так называемый эффект Эккерта-Вайса, который заключается в возникновении области пониженной температуры на подветренной стороне цилиндра. Величина эффекта может достигать существенных значений. Для оценки эффекта энергоразделения удобно использовать коэффициент восстановления температуры. На плоской пластине, обтекаемой потоком воздуха, его величина близка к единице, тогда как на подветренной стороне цилиндра при обтекании сжимаемым дозвуковым потоком (число Маха 0.25-0.65) может достигать отрицательных значений (эффект Эккерта-Вайса). Чем больше величина коэффициента восстановления отличается от единицы, тем выше эффект энергоразделения. В настоящей работе проведено экспериментальное исследование эффекта Эккерта-Вайсе при поперечном обтекании пары одинаковых круговых цилиндров при числах Маха набегающего потока M=0.295;0.365 и числах Рейнольдса Re_D=6.4∙10^4;7.9∙10^4, соответственно. Оси цилиндров расположены в плоскости перпендикулярной направлению потока. Относительное расстояние между осями цилиндров, изменялось в диапазоне, позволяющем охватить все режимы интерференции (одиночная вихревая дорожка, бистабильный режим, спаренная вихревая дорожка) характерные для данного типа (side-by-side) расположения цилиндров. Получено распределение коэффициентов давления и восстановления температуры на поверхности одного из цилиндров. Показано, что в зависимости от расстояния между цилиндрами коэффициенты давления и восстановления температуры могут быть как больше, так и меньше значений, полученных при обтекании одиночного цилиндра. При этом наибольшее снижение коэффициента восстановления (на 100%) температуры относительно значений, полученных при обтекании одиночного цилиндра, происходит на режиме спаренной вихревой дорожки при P⁄D=3.0, тогда как при P⁄D=1.1 и P⁄D=1.5 (режим одиночной вихревой дорожки и бистабильный режим, соответственно) наблюдался рост значений коэффициента восстановления температуры. | ||
| 2 | 13 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Экспериментальное исследование способов воздействия на эффект энергоразделения, возникающий при обтекании системы тел сжимаемым газовым потоком |
| Результаты этапа: Процесс перераспределения полной энтальпии (температуры торможения) в потоках сжимаемого газа без обмена энергией с окружающей средой принято называть энергоразделением. На его основе созданы устройства для безмашинного разделения потока на холодный и горячий (с температурой торможения меньше и больше начальной), например: трубы Ранка-Хилша, Гартмана-Шпренгера, Леонтьева. Повышение эффективности таких устройств, умелое использование эффекта энергоразделения в обычном теплообменном оборудовании, напрямую связано с пониманием причин энергоразделения, а также способов воздействия на его величину. В связи с этим актуальным является изучение процесса энергоразделения, возникающего при обтекании тел канонической формы (круглых цилиндров), так называемый эффект Эккерта-Вайса, который заключается в возникновении области пониженной температуры на подветренной стороне цилиндра. Величина эффекта может достигать существенных значений. Для оценки эффекта энергоразделения удобно использовать коэффициент восстановления температуры. На плоской пластине, обтекаемой потоком воздуха, его величина близка к единице, тогда как на подветренной стороне цилиндра при обтекании сжимаемым дозвуковым потоком (число Маха 0.25-0.65) может достигать отрицательных значений (эффект Эккерта-Вайса). Чем больше величина коэффициента восстановления отличается от единицы, тем выше эффект энергоразделения. На данном этапе проведено экспериментальное исследование эффекта Эккерта-Вайса при поперечном обтекании пары одинаковых круговых цилиндров в диапазоне чисел Маха набегающего потока M=0.32-0.62, которому соответствовал диапазон чисел Рейнольдса Re_D =1.47∙10^5-3.4∙10^5, соответственно. Исследования проводились на аэродинамической установке НИИ механики МГУ (поперечное сечение рабочей части 174х250 мм2). Относительное расстояние между осями цилиндров, изменялось в диапазоне, позволяющем охватить все режимы интерференции (одиночная вихревая дорожка, бистабильный режим, спаренная вихревая дорожка) характерные для данного типа (side-by-side) расположения цилиндров. Температурные измерения проводились тепловизором, что позволило регистрировать изменение температурного поля задних поверхностей цилиндров. Получены экспериментальные зависимости изменения коэффициентов давления и восстановления температуры в донной области цилиндров от числа Маха. Также получены распределения этих величин по ободу одного из цилиндров для трех значений чисел Маха. Показано наличие диапазона чисел Маха и режимов интерференции вихрей при котором коэффициент восстановления принимает значения существенно меньшие, чем на одиночном цилиндре, что ведет к существенному увеличению энергоразделения. Так, например, при P⁄D=3.0 и M= 0.57 коэффициент восстановления в задней критической точке на обоих цилиндрах был равен -0.8, что соответствовало разности между температурой торможения набегающего потока и температурой поверхности цилиндра равной 30 С. Тогда как на одиночном цилиндре при тех же параметрах коэффициент восстановления имел величину -0.25 и, соответственно, разность температур 20 С. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".