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 18 мая 2022 г.-31 декабря 2022 г. Влияние крупномасштабных возмущений в потоках сжимаемого газа на процессы тепломассообмена
Результаты этапа: 1. Рассмотрены задачи о структуре стационарного двумерного течения газокапельной смеси в пристеночной области за точкой падения прямой и косой волн уплотнения на плоскую стенку. В данном случае прямая волна соответствует ножке Маха при маховском отражении, а косая – регулярному режиму отражения падающей наклонной волны. Основной целью исследования являлась оценка влияния мелких капель жидкости, присутствующих в набегающем потоке, на равновесную температуру адиабатической стенки за точкой падения волны. Исследовался вопрос – насколько наличие падающей на стенку косой ударной волны может усилить эффект снижения равновесной температуры стенки присутствующими в потоке мелкими каплями. Область течения разбивается на внешнюю область «эффективно невязкого течения» и область асимптотического пограничного слоя. Расчеты течения в каждой из областей проводятся в рамках двухконтинуальной модели газокапельной смеси с учетом фазовых переходов (испарения) на поверхности капель. Исследованы наиболее интересные с точки зрения теплообмена волновые конфигурации, соответствующие неполному испарению капель за отраженной волной, а также «волнам с частичной и полной дисперсией» параметров. На основании численных расчетов получены оценки возможного снижения равновесной температуры адиабатической стенки за точкой падения ударных волн в стационарном сверхзвуковом потоке газа, содержащем малую концентрацию примеси жидких капель. Показано, что при определенных конфигурациях ударных волн их наличие в потоке значительно повышает эффективность охлаждения адиабатической стенки оседающими на стенку каплями. 2. В области формирования вихрей и в центральной части развитого следа за обтекаемым теплоизолированным телом происходит охлаждение газа в терминах температуры торможения. Ключевой механизм, вызывающий перераспределение температуры торможения в следах, связан с нестационарностью процессов формирования и развития вихрей. Это объясняет существенное влияние структуры вихревого следа на интенсивность энергоразделения. Однако вопрос организации вихревых следов с наибольшей интенсивностью энергоразделения остается открытым. Для достижения этой цели изучаются способы активного/пассивного управления потоком за телами. В отчетном году рассмотрена тестовая задача обтекания цилиндра в канале с активным управлением, которое осуществлялось с помощью двух струй на поверхности тела. Стратегия управления расходами струй (суммарный расход равен нулю) аппроксимировалась искусственной нейронной сетью, на вход которой подавались наблюдения скорости в контрольных точках вблизи поверхности тела и области формирования вихрей. Коэффициенты искусственной нейронной сети (порядка 3⋅〖10〗^5) находились с помощью глубокого машинного обучения с подкреплением. Реализованы алгоритмы, описывающие взаимодействие агента (искусственной нейронной сети) и среды (модели обтекания тела) в процессе обучения и управления; а также повышена производительность имеющихся алгоритмов численного моделирования обтекания тел. Результаты тестирования хорошо согласуются с данными других авторов; в частности, воспроизведен эффект стабилизации области вихреобразования с помощью стратегии активного управления, обученной методом оптимизации ближайшей стратегии (PPO). Изучаются альтернативные целевые функции и способы воздействия на ближний след с использованием оценки эффективности энергоразделения через характеристики структуры вихревого следа (скорость и интенсивность вихрей, а также расстояния между ними) . 3. Проведено численное исследование сверхзвукового турбулентного пограничнго слоя на проницаемой пластине с положительным градиентом давления во внешнем потоке с вдувом и отсосм газа на стенке. Для теплоизолированной стенки как при вдуве, так и при отсосе получено обобщение относительной величины коэффициента трения Cf/Cf0 по параметру градиента давления Результаты численного исследования влияния положительного градиента давления на профили скорости в пограничном слое свидетельствуют о том, что это влияние существенно в основной части пограничного слоя и слабое в пристеночной области. Профили интенсивности турбулентности свидетельствуют о существенной турбулизации пограничного слоя с вдувом и ламинаризации при отсосе в потоке с положительным градиентом давления. Показано, что положительный градиент давления существенно влияет на температуру теплоизолированной проницаемой стенки по сравнению с температурой теплоизолированной непроницаемой стенки. При этом изменение коэффициента восстановления r от параметра проницаемости bm в потоке с положительным градиентом давления при вдуве и отсосе в диапазоне изменения параметра проницаемости bm=-16..3.0 слабое. Проведен обзор результатов экспериментальных, аналитических и численных исследований коэффициента восстановления температуры, используемого в инженерных методиках расчета теплообмена для определения теплового потока в стенку при высокоскоростном течении газа в каналах энергоустановок, двигателей, теплообменных аппаратов и устройств безмашинного энергоразделения газовых потоков. Рассмотрено влияние на коэффициент восстановления температуры таких факторов, как число Прандтля газа, числа Рейнольдса и Маха набегающего потока, форма и рельеф обтекаемой поверхности, скачки уплотнения, степень турбулентности потока, внесение частиц (капель) в поток, вдув/отсос газа через проницаемую стенку. Проведено численное исследование сверхзвукового турбулентного пограничнго слоя на проницаемой пластине с положительным градиентом давления во внешнем потоке с инородным вдувом гелия Не в ксенон Хе. В расчетах для режима течения с градиентом получено, что температура проницаемой стенки Tw при значениях температуры вдуваемого газа Tj ниже температуры адиабатной непроницаемой стенки Taw0 при докритическом режиме вдува становится равной величине Tj в двух сечениях по длине пористой пластины Rex, в которых выполняется условие теплоизоляции, и тепловой поток в стенку меняет знак. При этом температура проницаемой стенки Tw между данными сечениями становится ниже температуры вдуваемого газа Tj. 4. В результате проведения экспериментального исследования получены распределения статического давления и адиабатной температуры стенки при течении сверхзвукового потока влажного воздуха с конденсацией влаги. Показано, что коэффициент восстановления температуры - r за скачком конденсации, определенный по локальным параметрам потока (адиабатной температуре стенки, числу Маха и температуре торможения), имеет меньшее значение, по сравнению со значением, полученным при течении сухого воздуха. При этом значение r снижается с ростом начального влагосодержания при прочих равных условиях. На основании экспериментальных данных, полученных в каналах с разными скоростями расширения потока, сделан предварительный вывод о существенном влиянии скорости расширения потока на коэффициент восстановления температуры. При более высокой скорости расширения значение адиабатной температуры стенки выше, чем при течении сухого воздуха при всех реализованных значениях влагосодержания, тогда как при более низкой скорости расширения температура адиабатной стенки для влажного воздуха за областью конденсации, начиная с некоторого значения начального влагосодержания, становится ниже, чем при течении сухого воздуха.
2 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Влияние крупномасштабных возмущений в потоках сжимаемого газа на процессы тепломассообмена
Результаты этапа: В рамках двухконтинуальной модели газокапельной среды исследованы задачи о структуре стационарного двумерного течения смеси «газ-испаряющиеся капли» в пристеночной области за точкой падения косой ударной волны и маховской ножки на плоскую стенку. Основной целью была количественная оценка влияния мелких капель жидкости, присутствующих в набегающем потоке, на равновесную температуру адиабатической стенки за точкой падения волны. Исследовался вопрос – насколько наличие падающей на стенку косой ударной волны может усилить эффект снижения равновесной температуры стенки присутствующими в потоке мелкими каплями. Область течения разбивается на внешнюю область «эффективно невязкого течения» и область асимптотического ламинарного пограничного слоя. Исследованы наиболее интересные с точки зрения теплообмена волновые конфигурации, соответствующие неполному испарению капель за отраженной волной, а также «волнам с частичной и полной дисперсией» параметров. Была использована упрощенная предельная схема формирования жидкой пленки оседающими на стенку каплями, эффекты неустойчивости и разбрызгивания пленки не учитывались. Установлено, что режим течения с формированием на стенке жидкой пленки соответствует максимальному эффекту снижения температуры адиабатической стенки до статической температуры набегающего сверхзвукового потока. Наличие прямой маховской ножки может приводить как к увеличению, так и к уменьшению потока массы оседающих на стенку капель. Это обусловлено конкуренцией двух процессов: активизации осаждения капель за счет силы Сэфмана из-за увеличения разности продольных скоростей фазы и активизации испарения капель за счет повышения температуры газа за ударной волной. Проведенные расчеты не выявили очевидных преимуществ схемы с прямой ударной волной с точки зрения увеличения зоны существования жидкой пленки на обтекаемой поверхности. Для случая инерционного осаждения капель из внешнего потока, формирующегося при регулярном отражении косых волн от стенки, была вычислена величина безразмерного потока массы осаждающихся на стенку капель. Показано, что создание в потоке приходящих на стенку косых ударных волн увеличивает интенсивность осаждения капель и длину зоны формирования жидкой пленки. Максимальные значения снижения температуры стенки по сравнению с течением чистого газа в расчетах могут достигать от нескольких процентов до 1.5 раз в зависимости от числа Маха и величины вклада силы Сэфмана при исходных массовых концентрациях капель порядка 1-5%. В отчетном году была рассмотрена задача об оптимальных формах обтекаемого вязким газом тела, обеспечивающих наименьшую (локальную или глобальную) температуру поверхности. Учитывая связь процесса охлаждения кормовой части обтекаемого тела с явлением энергоразделения в следе, такие оптимальные тела соответствуют ярко выраженной стратификации энергии в следе. Данная постановка является новой – в прошлом явление энергоразделения в основном изучалось на примере канонического обтекания кругового цилиндра. Недавние расчеты обтекания эллиптических цилиндров показали [Алексюк, МЖГ, 2022], что форма тела может оказывать значительное влияние на эффективность энергоразделения. Эти изменения связаны с модификацией процесса формирования вихрей [Aleksyuk, Int. J. Heat Mass Transfer, 2019 и J. Fluid Mech. 2021; Алексюк, МЖГ, 2022]. Вопрос об оптимальных формах тел до сих пор оставался открытым. Для решения этой задачи были реализованы алгоритмы оптимизации с помощью машинного обучения с подкреплением [Aleksyuk, Fluid Dyn., в печати]. Показано, что даже при числе Рейнольдса Re = 200, числе Маха M = 0.4 и числе Прандтля Pr = 0.72 можно наблюдать падение температуры поверхности в кормовой части ниже значения в набегающем потоке – явление аэродинамического охлаждения или эффект Эккерта-Вайса. Показано, что оптимальными телами с наиболее низкой температурой (достигается в подветренной части тела) являются тонкие пластины, расположенные поперек потока. Для рассматриваемого режима коэффициент восстановления достигал значения -0.26 (при каноническом обтекании круглого цилиндра он равен 0.31). С точки зрения глобальной температуры тела, оптимальные тела имеют форму подобную бумерангу. Для рассматриваемого режима обтекания таких тел глобальный (осредненный по поверхности тела) коэффициентом восстановления достигал значения 0.34 (для круглого цилиндра он равен 0.63). На основе детального анализа картин течения предложено обоснование этих оптимальных форм. Проведено численное исследование сверхзвукового турбулентного пограничного слоя на проницаемой пластине с положительным градиентом давления во внешнем потоке с инородным вдувом гелия Не в ксенон Хе. В расчетах для режима течения с градиентом получено, что температура проницаемой стенки Tw при значениях температуры вдуваемого газа Tj ниже температуры адиабатной непроницаемой стенки Taw0 при докритическом режиме вдува становится равной величине Tj в двух сечениях по длине пористой пластины Rex, в которых выполняется условие теплоизоляции, и тепловой поток в стенку меняет знак. При этом температура проницаемой стенки Tw между данными сечениями становится ниже температуры вдуваемого газа Tj. В случае безградиентного течения температура проницаемой стенки Tw становится равной величине Tj также в двух сечениях по длине пористой пластины Rex, одно из которых соответствует сечению критического вдува. Для режима течения с градиентом при критическом вдуве тепловой поток в стенку существенно возрастает в отличие от случая безградиентного течения, где тепловой поток стремится к нулю. Таким образом, в рассматриваемом случае при критическом вдуве стенка не является теплоизолированной, что является следствием интенсификации теплообмена в пограничном слое с положительным градиентом давления. В случае течения с градиентом концентрация гелия и число Прандтля смеси на стенке существенно меньше, чем в случае безградиентного течения. Это объясняется тем, что положительный градиент давления способствует турбулизации пограничного слоя, приводя к размытию профиля концентрации легкого газа вниз по потоку. Минимальное достигнутое значение числа Прандтля газовой смеси составляет Prw(min)=0.193 при концентрации гелия Cw(min)=0.055 для всех рассмотренных режимов. В течении с градиентом происходят существенная перестройка профилей скорости и температуры торможения по сравнению с безградиентным течением, так, температура стенки при критическом вдуве Tw превышает значения температуры вдуваемого газа Tj, в данном случае это превышение составляет почти 20 градусов . Проведено численное исследование пограничного слоя на стенке с завесным охлаждением через пористую вставку при вдуве гелия в поток ксенона. Показано, что профиль скорости слабо изменяется по длине пластины от менее заполненного в области вдува до более заполненного в области завесы. Массовая концентрация вдуваемого газа (гелия) в области вдува возрастает до величины, при которой относительный коэффициент трения близок к величине, соответствующий критическому вдуву. Профили температуры в области вдува также существенно изменяются по толщине пограничного слоя и слабо изменяются в области завесы. Характер зависимостей турбулентных потоков массы и тепла в пограничном слое существенно меняется при переходе из области вдува в область завесы при менее существенном изменении турбулентного трения. Показано, что зависимости турбулентных чисел Прандтля и Шмидта по толщине пограничного слоя y/δ области вдува далеки от постоянных значений Sct=Prt=0.85 и лишь в области завесы при y/δ>0.1 близки к упомянутому постоянному значению. В пристеночной области зависимости Sct(y/δ) и Prt(y/δ) (в особенности) очень сильно меняются. Проведено исследование влияния переменности турбулентных чисел Прандтля и Шмидта на характеристики тепло- и массообмена, в частности, на температуру стенки и массовую концентрацию вдуваемого газа (гелия) на стенке по длине пластины. Показано, что в области вдува переменность турбулентного числа Шмидта слабо сказывается изменении по длине массовой концентрации гелия на стенке, в то время как переменность турбулентного числа Прандтля заметно сказывается на изменении по длине температуры стенки. В области завесы турбулентные числа Шмидта и Прандтля близки к постоянной величине ~ 0.85. Таким образом, предположение о постоянстве турбулентных чисел Шмидта и Прандтля (в особенности) во всей области течения нельзя считать оправданным, если требуется высокая точность определения характеристик тепло- и массообмена. Проведены экспериментальные исследования по влиянию интенсивности скачка конденсации, возникающего при расширении влажного воздуха в сверхзвуковом плоском канале, на величину коэффициента теплоотдачи. Интенсивность скачка конденсации изменялась за счет изменения начального влагосодержания потока при постоянной начальной относительной влажности. В итоге получены распределения статического давления вдоль оси канала, двумерные поля адиабатной температуры стенки и коэффициента теплоотдачи для разных значений начального влагосодержания. Относительное изменение данных величин определялось путем сравнения с соответствующими значениями, полученными для случая сухого воздуха. Рост начального влагосодержания приводил к росту адиабатной температуры стенки в области скачка конденсации и за ней, что вызвано ростом температуры торможения основного потока и снижением числа Маха, вследствие выделения теплоты фазового перехода. Также увеличение начального влагосодержания приводило к локальному (в области скачка конденсации) росту коэффициента теплоотдачи. При максимальной величине влагосодержания, реализованной в исследовании - 10.8 г/кг, наблюдался рост коэффициента теплоотдачи в области скачка конденсации в полтора раза по сравнению с режимом сухого воздуха.

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".