Влияние крупномасштабных возмущений в потоках сжимаемого газа на процессы тепломассообменаНИР

Influence of large-scale disturbances in compressible gas flows on heat/mass transfer processes

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 23 апреля 2019 г.-31 декабря 2019 г. Влияние крупномасштабных возмущений в потоках сжимаемого газа на процессы тепломассообмена
Результаты этапа: Проект направлен на теоретическое и экспериментальное исследование возможности существенной интенсификации процессов тепломассообмена и энергоразделения в потоке сжимаемого газа при наличии крупномасштабных возмущений, к которым относятся нестационарные вихревые течения, конденсация компонент высокоскоростного газового потока, а также вдув/отсос рабочего тела на протяженных участках обтекаемых поверхностей при наличии/отсутствии градиента давления. В первый год исследований выполнены следующие работы. Рассмотрены две задачи нестационарного обтекания тел вязким совершенным газом: (i) обтекание пары круговых цилиндров, центры которых смещены поперёк потока на расстояние H, и (ii) обтекание эллиптического цилиндра с коэффициентом сжатия K. Поставлены двумерные начально-краевые задачи для полных уравнений Навье-Стокса в рамках модели вязкого совершенного газа с постоянными коэффициентами удельной теплоемкости, вязкости и теплопроводности. Построены численные решения указанных задач на основе стабилизированного метода конечных элементов при числах Рейнольдса Re≤1000, Маха 0.1≤M≤0.5 и Прандтля Pr=0.72. Геометрические параметры задачи H, K менялись в пределах: 1.1≤H/D≤5, 0.1≤K≤10, где D – диаметр цилиндра. Расчеты проводились на суперкомпьютерах “Ломоносов” и “Ломоносов-2” суперкомпьютерного комплекса МГУ им. М.В. Ломоносова. В следе можно выделить две области пониженных значений осредненной по времени полной энтальпии газа, расположенных в области формирования вихрей и в сформировавшемся следе. Механизмы, ответственные за перераспределение энергии в этих областях, различны и связаны как с развитием рециркуляционных зон вблизи поверхности тела, в которых существенно действие вязких сил, теплопроводности и нестационарности течения, так и со структурой развитого вихревого следа, в котором для описания процесса перераспределения полной энтальпии достаточно учитывать только нестационарность потока. Наличие второго цилиндра позволяет повысить эффективность разделения полной энтальпии газа как в первой, так и во второй области. Результат немонотонно зависит от расстояния между цилиндрами, что связано со сменой режимов интерференции следов. Получено, что минимальные значения нормированной полной энтальпии в области формирования вихрей, а также наиболее интенсивное проявление эффекта Эккерта-Вайса достигаются при нерегулярном взаимодействии следов (например, при значениях параметров H/D≈1.5, Re=1000 и M=0.4), когда попеременно, на протяжении длительных интервалов по времени, наблюдается явная несимметрия схода вихрей – ближний след за одним цилиндром существенно шире, чем за другим. При этом в развитом следе область “холодного газа” оказалась наиболее ярко выражена при минимальном рассмотренном расстоянии между цилиндрами (H/D=1.1). Влияние коэффициента сжатия эллиптического цилиндра на тепловую структуру потока связано, в первую очередь, с изменением интенсивности срывающихся вихрей и структуры вихревого следа (продольных и поперечных расстояний между вихрями). Показано, что при уменьшении длины поперечной оси эллипса эффективность разделения полной энтальпии в следе падает; при уменьшении продольной оси – растет. Построена обобщенная модель высокоскоростного сжимаемого двухфазного (газокапельного) пограничного слоя на плоской стенке с учетом возможных фазовых переходов (испарения и конденсации) на поверхности капель и образования жидкой пленки на обтекаемой поверхности. Для описания внешнего (невязкого) течения построена квазиодномерная модель сверхзвукового течения газа с каплями при наличии фазовых переходов (испарения и конденсации) в расширяющемся плоском канале заданного сечения. Для смеси «воздух - водяные капли» проведены параметрические численные расчеты внешнего двухфазного течения в канале, расширяющемся по линейному закону, при различных условиях (рассогласовании скоростей и температур фаз, числовой концентрации и размере капель, температуре и давлении газа) в начальном сечении канала. Исследовано влияние конденсации капель на изменение давления в канале. Разработана численная схема для расчета уравнений двухфазного пограничного слоя с учетом как испарения, так и конденсации капель. Построена асимптотическая модель, описывающая течение жидкой пленки, возникающей на обтекаемой поверхности за счет осаждения капель под действием боковой силы Сэфмана. В настоящее время проводятся отладочные расчеты течения в двухфазном пограничном слое при различных градиентах давления во внешнем потоке с учетом испарения и конденсации жидкой фазы и наличия жидкой пленки. Создана математическая модель течения газа в пограничном слое с теплообменом на проницаемой стенке при наличии вдува или отсоса газа. Разработан алгоритм и программа для численного решения задачи теплообмена в пограничном слое на стенке в дозвуковом и сверхзвуковом потоках газа при сложных граничных условия. Проведены тестовые расчеты. На данном этапе исследований численно решены две задачи течения и теплообмена для сжимаемого ламинарного (с целью исключить влияние турбулентности на характеристики теплообмена) пограничного слоя на проницаемой пластине. 1. Проведено численное исследование ламинарного сжимаемого пограничного слоя на проницаемой пластине с отсосом газа на стенке при наличии продольного градиента давления. Для течения с ускорением на непроницаемой пластине коэффициент восстановления температуры близок к известной в литературе величине r=Pr^0.5. В случае отсоса газа на стенке адиабатная температура стенки стремится к температуре торможения набегающего потока, а коэффициент восстановления температуры стремится к единице. Режим асимптотического отсоса наступает только при интенсивном отсосе газа из пограничного слоя. 2. Проведено численное исследование ламинарного сжимаемого пограничного слоя на проницаемой пластине с однородным вдувом для чисел Прандтля газа Pr < 1. Рассмотрены режимы, при которых температуры вдуваемого газа ниже адиабатной температуры непроницаемой стенки при заданных параметрах основного потока. Получено, что: на некотором расстоянии от начала вдува температура проницаемой стенки становится ниже температуры вдуваемого газа. При этом температура проницаемой стенки проходит через минимум в данной области. Этот минимум с уменьшением температуры вдуваемого газа смещается к сечению критического вдува, и при некоторой температуре вдуваемого газа совпадает с ним. Для этого случая вводится величина критической адиабатной температуры проницаемой стенки. Для этой величины получена критериальная зависимость от чисел Прандтля и Маха, которая позволяет оценить диапазон температур вдуваемого газа, при котором возможно существование данного эффекта. В рамках экспериментального исследования произведена модернизации системы подготовки влажного воздуха. С этой целью закуплены парогенератор автоматический электрический ТЭНовый, предназначенный для выработки насыщенного водяного пара с температурой до 158 ° С и давлением выше атмосферного и - пароперегреватель электрический, предназначенный для перегрева пара выше температуры насыщения ( до 250 ° С). Произведен монтаж и включение данного оборудования в общую систему экспериментальной установки. Произведены пуско-наладочные испытания. В осесимметричных конических каналах с одинаковыми углами раскрытия, но разными значениями диаметров критического сечения (5,7 и 10 мм), проведены тестовые экспериментальные исследования по влиянию продольного градиента статического давления на величину адиабатной температуры стенки при сверхзвуковом течении влажного воздуха в случае возникновения скачков конденсации. Эксперименты проводились в диапазоне температуры 25-55 С и начальном давлении смеси 1.75, 2.0, 3.0 и 3.25 атм. При данных условиях начальное влагосодержание во влажном воздухе изменялось от 0.7 до 30 г/кг. Для каждого режима измерены распределения статического давления на стенке канала вдоль его длины, а также температура стенки канала (тепловизором). Наличие/отсутствие скачка конденсации регистрировалось по отклонению профиля статического давления от профиля, измеренного для случая течения сухого воздуха.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Влияние крупномасштабных возмущений в потоках сжимаемого газа на процессы тепломассообмена
Результаты этапа:

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".