Пограничный слой с крупномасштабными структурами, с испарением и горением

А). К истории развития теории турбулентности. Обмен механической или тепловой энергией между газовым потоком и ограничивающими его стенками происходит в месте их непосредственного контакта, т. е. в пограничном слое. Физические процессы, происходящие в ламинарном и в турбулентном пограничных слоях, значительно отличаются. Поэтому важно знать границы, в пределах которых реализуются эти два режима, а также закономерности лами-нарно-турбулентного перехода, который имеет свои особенности в структуре течения и тепломассообмене.

О. Рейнольде в конце 19го века полагал, что причина перехода ламинарных течений в турбулентное состояние — их неустойчивость. Позже Тейлором сформулирована гипотеза, по которой переход вызывают пульсации внешнего потока, приводящие к локальным отрывам пограничного слоя и его турбулизации.

В начале 20го века, благодаря усилиям Рэлея, возникла теория гидродинамической устойчивости. Первые количественные результаты для ситуации, когда внешние возмущения отсутствуют, были получены в начале 30х годов Тол-лмином и Шлихтингом. В 40х годах Шубауэр и Скрэмстед впервые экспериментально обнаружили собственные колебания пограничного слоя, показали их роль в разрушении ламинарного режима.

При малой интенсивности внешних возмущений переход в турбулентное состояние включает этапы генерации волн, их усиления по законам линейной теории и нелинейного разрушения ламинарного пограничного слоя. Было установлено, для возникновения волны Толлмина-Шлихтинга необходимым является условие малой степени турбулентности набегающего потока Тщ<0.1% [.Качанов, Козлов, Левченко, 1987]. В работе [Поляков, 1979] показано, что при ещё меньшей турбулентности (Гмо~0.07%) увеличивается область, занятая ламинарным течением, а переходная область смещается вниз по потоку. Увеличение протяжённости ламинарного течения способствует уменьшению сопротивления трения тела, на поверхности которого развивается пограничный слой. Очевидно, что существуют пределы такого снижения.

Низкая турбулентность набегающего потока необходима для проведения исследований волновой структуры области перехода. В экспериментах она создаётся искусственно. Ожидалось, что такой низкий уровень турбулентности соответствует естественным условиям в атмосфере Земли. Однако, в реальных условиях полёта уровень турбулентности значительно выше, чем 7ио~0.1%. В работах [Занин, Козлов, Рыцарев, 1980; Довгаль, Занин, 1982; Занин, 1999] при использовании комплекса термоанемометрической аппаратуры, установленной на борту планера JI-13 «Бланик», было показано, что интенсивность естественной турбулентности колеблется в пределах 0,1−0,4%. Измерения турбулентных пульсаций проводились во время полётов на высотах от 100 до 1200 м. Интенсивность пульсаций на высотах ниже 100 м и в кучевых облаках возрастала до 1,5%. Показано, что «при полёте в сильно возмущённой атмосфере пульсации на ламинарном участке пограничного слоя крыла увеличиваются, но механизм перехода сохраняется прежний — через развитие пакета волн неустойчивости».

В технических устройствах степень турбулентности газовых потоков, как правило, высокая. Например, на входе в газовую турбину Ти0 = 2 -г 20% [Turner, 1971]. При этом пограничный слой на значительной части поверхности ее лопаток (50 -f 80%), обтекаемых продуктами сгорания, находится^ состоянии ламинарно-турбулентного перехода, который в присутствии замкнутого отрыва происходит без образования волн неустойчивости (Дыбан, Эпик, 1995]. Это так называемый байпасный переход. Исследование переходного течения при повышенной турбулентности составляет одну из задач настоящей работы.

Общее сопротивление летательного аппарата, кроме трения, включает в себя и другие виды сопротивления: лобовое, волновое и т. д., вклад которых значительно превосходит долю сопротивления трения. Однако, изучение трения позволяет судить о процессах переноса тепла и вещества, которые связаны между собой известными законами подобия. Внешние газодинамические возмущения не способствуют снижению сопротивления трения, — они интенсифицируют тепломассообмен. Важно знать не только пределы ослабления процессов переноса, но также пределы роста их интенсивности, знать свойства пограничного слоя при экстремальных значениях внешних параметров. Возможно, что в таких условиях существуют физические ограничения на дальнейшее увеличение тепломассообмена. Поэтому в настоящей работе анализируются потоки с химическими и фазовыми превращениями, с высокой внешней турбулентностью, с продольным градиентом давления, который вызывает ускорение или торможение пограничного слоя, рассматривается проблема отрывных течений. Исследуется структура потока и тепломассоперенос в сложных условиях, в том числе, при отсутствии горения.

Что может объединять импактные струи, стекающие плёнки жидкости, горение органического топлива с процессами, происходящими на поверхности крыла самолёта при критических углах атаки? Общим для них является крупномасштабное движение газа или жидкости, возникновение организованных структур, взаимодействующих с поверхностями, ограничивающими поток. Крупномасштабные структуры часто бывают невидимыми, а физический результат их воздействия на стенки канала в большинстве случаев неизвестен. Поэтому одна из основных задач настоящей работы состоит в том, чтобы определить закономерности взаимодействия крупномасштабных образований со стенками канала, создать физическую модель этого процесса.

Обзор, отражающий развитие взглядов на турбулентность и крупномасштабные структуры, приведён в работе [Кантуэлл, 1984]. Здесь краткие выдержки из него.

20-е, 30-е годы. Турбулентность — стохастическое явление. Широкий диапазон масштабов. Такой подход привёл к полуэмпирическим теориям Прандтля и Тейлора, в которых конвективные напряжения связаны со средним движением посредством использования длины пути смешения и эффективной турбулентной вязкости, введённой Буссинеском. Понятие вихря использовалось, но являлось по существу абстракцией.

В 1935 г. Работы Тейлора по изучению однородного изотропного поля турбулентности инициировали развитие статистической теории турбулентности, начало которой обычно связывается с работой Колмогорова [Колмогоров, 1941].

В 40-е годы статистическая теория турбулентности развивалась усилиями фон Вейцзекера, Коважного, Гейзенберга, Чандрасекара. Спектральный анализ привёл к выводу о том, что в изотропной турбулентности энергетическая структура не зависит от вязкости жидкости. Если число Re велико, то энергетический спектр не меняется, оставаясь подобным при любых значениях критерия. Зона генерации и диссипации по спектру сильно разнесены. Крупнои мелкомасштабное движение связаны через каскадный механизм передачи энергии.

В 50-е Корзин и Таунсенд показали, что есть перемежаемость с ламинарными включениями. Формируется картина течения, объединяющая представления о ламинарном подслое и поле турбулентной жидкости, динамические характеристики которого аналогичны изотропной турбулентности.

В 60-е годы эксперименты показали, что процессы переноса осредняются большими вихрями, появление которых не является случайным. Их форма^раз-ная в разных типах течений. Позднее Таунсенд [Townsend, 1970] исследовал структуру парно крутящихся больших вихрей в обычном сдвиговом слое. ^.

Эмпирическая информация о структурах получена из визуализации (пузырьки водорода, краска, теневые методы) и из термоанемометрических измерений. Основной метод исследования — метод корреляций. Он не даёт детальной картины течения, но можно получить строгие количественные оценки.

Re, г) = u^Oujix +^t + r).

Пространственное разделение датчиков и временные задержки позволяют определить скорость движения структуры.

Фавр [Favre, Gaviglio, 1957] обнаружил, что максимальный коэффициент корреляции располагается на линиях, наклонённых к поверхности. Вдоль потока корреляции больше, чем поперёк. Блэквельдер и Экельман [Blackwelder, Eckelmann, 1979] показали, что интенсивность вихрей, ориентированных поперёк потока на порядок выше, чем вдоль. Продольный размер вихря Дх+ = Axu+/v.

— 1000. Трудности экспериментального исследования организованного движения состоят в его изоляции, его выделении и осреднении. Коулз и Баркер [Coles, Barker, 1975] создавали осреднённый турбулентный пограничный слой периодическим возмущением передней кромки. Это ламинарное течение с возмущениями при осреднении соответствовало турбулентному. При изучении турбулизованного пограничного слоя в переходном режиме течения в поздних работах Ванга и Жоу [Wang, Zhou, 1998] искусственное возмущение не вносится, а разделение турбулентной и ламинарной частей потока проводится по времени.

В опытах по визуализации пристенной области, проведенных Кляйном и соавторами [Kline, Reynolds, 1967] было показано, что пузырьки движутся по криволинейным траекториям струйками (stricks), в которых возбуждаются колебания, заканчивающиеся внезапным разрушением (birsting). Ким и соавторы [Kim, Kline, 1971] определили, что практически всё производство турбулентной энергии происходит в таких всплесках. Корино и Бродки [Corino, Brodkey, 1969] обнаружили явление сноса (sweep) — снос жидкости в область, где произошёл её выброс. Если по модели Прандтля считалось, что большая часть Рей-нольдсовых напряжений uv возникает на стадии подъёма низкоскоростной жидкости вверх, то Уилмар и Лю [Willmarth, Lu, 1972] показали, что наибольший вклад в uv появляется на стадии сноса.

Последующие работы направлены в основном на поиск источника крупномасштабного движения вблизи стенки, на установление связи внешней области с течением в пристенной его части. Коважный [Kovasznay, Kibens, 1970] показал, что завихренность разрывна, в то время как скорость непрерывна. Pao [Rao, Narasimha, 1971] наблюдал большие вихри, приводящие к тому, что медленно движущийся внутренний слой порождает пик турбулентности с интенсивными турбулентными напряжениями. Наиболее активна граница между турбулентным и не турбулентным течением. Характерный размер неоднородностей 3 S по потоку и S поперёк. Как и в трубах [Wygnanski, Champagne, 1973], на такой границе раздела степень турбулентности достигает -15%, что в 4−7 раз больше,.

14 чем в центре сгустка, — это второй тип перемежающегося течения — клубы (риА). Корреляционные измерения позволили выявить направление максимальных корреляций р = 18°, определить скорость движения крупномасштабных образований.

Несмотря на нестыковки и противоречия, некоторые масштабы структур можно считать установленными: длина подслоя в продольном направлении, А ~ ЮООгУм*- продольный размер вихря Ьх ~ (60-г 100) гУи*- расстояние, на котором сохраняется вихрь с большой энергией Х1 ~ 5Ъх угол максимальной корреляции /?= 18°- средняя скорость движения крупномасштабного вихря во внешней области (0.8-ь0.9)?/опульсационная скорость (и')2/и= 2,75.

Идеи и представления о турбулентности служат основой для развития теории процессов переноса. Вывод статистической теории о неизменности энергетического спектра при больших числах 11е оказались плодотворным при создании асимптотической теории тепломассообмена и трения в турбулентном пограничном слое с вырождающейся вязкостью, развитой в работе [Кутателадзе, Леонтьев, 1972]. При её использовании все особенности структуры учитывались единственной функцией, что позволяло значительно упростить уравнения пограничного слоя и получать аналитические решения для сравнительно сложных ситуаций.

В обзоре [Бродуэлл, Димотакис, 1987] авторы показывают невозможность объяснить ряд экспериментально обнаруженных фактов без учёта крупномасштабного движения. К числу его особенностей они относят.

— сближение характерных масштабов структур и наибольших временных и пространственных масштабов данного потока;

— проявление механизмов молекулярного переноса даже в полностью развитых турбулентных течениях;

— проявление динамики крупномасштабных вихрей в процессах перемешивания.

Внедрение структур в методы инженерных расчётов происходит очень медленно. Нет теории, которая могла бы рассчитывать эти структуры, нет ответа на основной вопрос, каким образом крупномасштабное движение влияет на тепломассообмен. Нет физической модели, которая обобщила бы накопленный противоречивый экспериментальный материал, выходящий за рамки традиционных представлений о процессах переноса. Турбулентность остаётся главной неизученной проблемой классической физики.

Каков физический результат воздействия крупномасштабных структур на тепломассообмен?" На одном из семинаров, посвященных памяти С. С. Кутателадзе, этот вопрос А. И. Леонтьев задал Ю. Н. Григорьеву, выступившему с обзорным докладом по крупномасштабным структурам. Тогда ответа не было. Этот вопрос может послужить эпиграфом к настоящей работе.

Б). Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы.

В структуре энергобаланса наиболее развитых стран доля энергии от сжигания органического топлива достигает 90−95%. Ограниченность возможностей горения, привела к необходимости более глубокого изучения особенностей этог го процесса.

Первый этап в ходе передачи энергии — это теплообмен химически реагирующих газов с поверхностью теплоприёмника, который происходит в пограничном слое. Знание закономерностей теплообмена при горении, механизмов эффективного воздействия на них, а также диапазона, в котором изменяется интенсивность процессов переноса, имеют значение при разработке перспективных аппаратов химического и энергетического машиностроения. Поэтому задача изучения форсированных процессов переноса в пограничном слое с горением является актуальной.

Логика развития теории пограничного слоя с последовательным усложнением объекта исследований требует рассмотреть ситуацию, когда одновременно действует целый комплекс возмущающих факторов. Среди них отрыв, ускорение (или торможение) газового потока, высокий уровень его турбулентности, наличие физико-химических превращений. В ходе изучения такого объекта можно ожидать проявления наиболее общих закономерностей, которые необходимы для анализа явлений тепломассообмена в сложных условиях.

Известны факты, объяснение которых в рамках существующей теории тепломассообмена вызывает затруднение. К их числу относится отсутствие подобия между теплои массообменом при испарении жидкостей, расслоение опытных данных в два три и более раз, которое отмечалось в опытах по теплообмену в соплах, проявление в потоках с развитым турбулентным течением особенностей, которые характерны для молекулярного переноса. Не решена проблема взаимодействия турбулентности и горения, неизвестен физический результат воздействия крупномасштабных структур на процессы переноса. В поле зрения исследователей постоянно остаются потоки с отрывом, с ламинарно-турбулентным переходом в пограничном слое.

Все эти вопросы затрагиваются в настоящей работе и определяют её актуальность. Их многообразие отражает свойства пограничного слоя с крупномасштабными тепловыми и газодинамическими возмущениями. Течение с горени-" ем за преградой при высокой турбулентности набегающего потока сочетает в себе особенности реальных химически реагирующих газовых потоков и характеризуется следующими признаками:

1). Высокая амплитуда пульсаций параметров, которая сопоставима с их средними значениями. Средние значения изменяются в широком диапазоне и могут достигать пределов, в которых существует процесс. Тепломассоперенос по своей интенсивности приближается к максимальному уровню.

2). Отрыв потока, наличие областей рециркуляции и крупномасштабных структур, которое затрудняет эффективное применение вычислительных технологий.

3). Отсутствие подобия между распределением температуры, скорости и концентрации вещества, между переносом импульса и вещества.

4). Нет прямой связи между граничными условиями и параметрами газа в зоне горения, неопределённость физических границ в случае обтекания пористой поверхности.

5). Совместное действие нескольких осложняющих факторов (турбулизация и ускорение, свободная и вынужденная конвекция и т. д.).

Использование вычислительных технологий для изучения таких течений не исключает экспериментальные исследования, как источник эмпирических данных для тестирования результатов расчёта. Поэтому проведение экспериментальных исследований оправдано, хотя сопряжено с необходимостью создания принципиально нового диагностического оборудования. Оно должно использоваться в химически агрессивных газовых потоках, не внося в них изменений, должно применяться при высокой температуре, обеспечивая высокое пространственное и временное разрешение.

Основная цель работы.

— исследование пограничного слоя с крупномасштабными тепловыми и газодинамическими возмущениями, развитие физической модели течения и тепломассообмена в потоках с отрывом.

Основной акцент в работе делается на изучение воздействия крупномасштабных структур на процессы переноса.

Основные задачи.

Для достижения основной цели работы решались следующие задачи:

1. Анализ состояния исследований пограничного слоя с испарением и горением. Наблюдение структур в пограничном слое с горением. Установление связи между наличием структур и проявлением особенностей процессов переноса. Поиск эффективных механизмов воздействия на крупномасштабные структуры с целью определения пределов их влияния на тепломассообмен.

2. Отработка методов регистрации результатов внешнего воздействия и получения количественной информации о свойствах крупномасштабных структур. Среди них зондовые методы измерений, а также методы измерений в сфокусированных лазерных пучках. Испытания аппаратуры на объектах с известными параметрами. Разработка экспериментальной установки для создания пограничного слоя с крупномасштабными структурами, с испарением и горением, которая способна адаптироваться к применению различных зондов и оптической аппаратуры.

3. Проведение систематических измерений параметров газа в реагирующем пограничном слое с использованием зондовых и оптических методов. В максимально возможном диапазоне изменения внешних газодинамических факторов получение базы опытных данных о структуре течения, о потоках тепла и вещества, о влиянии на них внешних возмущений (турбулизации, ускорения, зоны отрыва), о влиянии крупномасштабных структур на процессы переноса.

4. Выявление общих особенностей пограничного слоя с крупномасштабными структурами с испарением и горением. Обобщение полученной информации в виде физической модели. Применение основных положений этой модели к проблемным случаям тепломассообмена при отсутствии горения.

Работа проводилась по координационным планам НИР Института теплофизики, при поддержке фонда Сорос-ННЦ на всех его этапах, при поддержке Сибирского отделения РАН (Интеграционный проект № 28). В неё вошли некоторые результаты, полученные в ходе выполнения проектов Российского Фонда Фундаментальных исследований (Гранты №№ 93−02−14 517, 96−02−19 418, 97−218 520, 99−02−17 171, 00−03−32 429, 02−02−16 170).

Объекты исследования.

При проведении анализа известных опытных данных в качестве объектов исследования рассматривались ситуации с необычным проявлением тепломассообмена. Без горения — это пограничные слои с фазовыми превращениями (с испарением или сублимацией), с ускорением, с явно выраженным отрывом: встречный вдув пристенной струи, импактное взаимодействие струи с преградой, теплообмен за ребром и уступом, теплои массообмен при обтекании затупленной пластины, а также теплообмен на вогнутой стенке, теплообмен сверхзвукового потока со стенками конического сопла Лаваля.

Получены опытные данные для пограничного слоя при обтекании воздухом плоской стенки и в закрученном ограниченном потоке (трубка Ранка-Хилша). В случае горения — это пограничные слои с фазовыми и химическими превращениями (в лабораторных условиях), на натурной котельной установке — теплообмен факелов газовых горелок.

При отработке методов измерений получены опытные данные для горения струи водорода в воздухе и в смеси с кислородом, для струи продуктов сгорания образца твёрдого ракетного топлива, а также для случая горения этанола, испаряющегося с поверхности сферы, моделирующей горение жидкой капли. Наиболее полные экспериментальные данные накоплены для испарения и горения этанола в пограничном слое на плоской горизонтальной пластине за ребром переменной высоты, а также при наличии ускорения (или торможения) воздушного потока при повышенной его турбулентности.

Научная новизна.

Впервые получены систематические экспериментальные данные о параметрах реагирующего пограничного слоя, которые включают в себя потоки вещества, распределение температур, скоростей и их пульсаций, данные о составе стабильных веществ и радикалов. Впервые получен фактический материал о влиянии горения, турбулизации внешнего течения, его ускорения (или торможения) на структуру течения и тепломассообмен.

Впервые получена эмпирическая зависимость для описания особенностей процессов переноса, обусловленных наличием крупномасштабных структур в пограничном слое. Впервые получены опытные данные о диапазоне её применимости.

Впервые предложены методы определения составляющих теплового потока при сложном теплообмене на испаряющейся поверхности, предложены методы определения коэффициентов переноса, в том числе, на поверхности пористого материала и в его объёме. Предложена оптическая схема КАРС-спектрометра для одновременного определения концентрации вещества и его температуры. Оригинальность этих решений подтверждена авторскими свидетельствами.

Достоверность.

Достоверность результатов достигалась:

1). Выбором соответствующего объекта исследований (пограничный слой над испаряющейся поверхностью), у которого граничные условия первого рода при адиабатическом тепломассообмене консервативны к наличию газодинамических возмущений разного масштаба.

2). Сравнением собственных опытных данных с известными данными, которые были получены в сопоставимых условиях.

3). Благодаря анализу и учёту вклада, который привносят в общий поток тепла действующие механизмы переноса.

4). Благодаря калибровке измерительной аппаратуры по эталонным объектам с известными параметрами.

5). Исходя из анализа источников погрешностей, из выбора режимов горения, а также областей течения, где применимость выбранных методов измерений доказана и не вызывает сомнений.

6). Проверкой полученных данных на воспроизводимость.

Научная и практическая ценность.

Развиты подходы к анализу известных опытных данных, которые показали реальный диапазон изменения интенсивности тепломассообмена. Сформулированы основные положения физической модели пограничного слоя в сложных условиях. Они позволили с единых позиций объяснить ряд проблемных случаев тепломассообмена.

Создана аппаратура, которая была применена в реагирующих турбулентных потоках со следующими параметрами: при давлении 4 МПа в химически агрессивной газовой среде при температуре 3100К и при сверхзвуковых скоростях движения. Она может быть использована для изучения процессов с характерным временем порядка 0,1 микросекунды и пространственным разрешением 0.1×0.1×1мм3.

Накоплена база опытных данных по распределению температур, скоростей, состава газов, тепловых и массовых потоков, которые получены в ходе систематических исследований пограничного слоя с испарением и горением. Она может использоваться для тестирования расчётных моделей.

Экспериментально установлены пределы изменения интенсивности процессов переноса, которые имеют значение при разработке и эксплуатации элементов энергетического оборудования.

Разработан способ определения коэффициентов переноса на поверхности пористого материала и в его объёме, способ определения компонентов теплового потока при сложном тепломассообмене. Предложен и апробирован вариант КАРС-спектрометра с наиболее эффективным использованием располагаемой энергии лазерного излучения. Полезность этих решений признана и зафиксирована в авторских свидетельствах.

Опытные данные о влиянии турбулизации, ускорения (или торможения) на структуру течения и процессы переноса в пограничном слое с горением.

Результаты экспериментов по структуре течения и процессом переноса, положенные в основу физической модели пограничного слоя с крупномасштабными структурами:

— данные, подтверждающие наличие продольных и поперечных крупномасштабных структур в пограничном слое с горением;

— эмпирически установленная корреляция, описывающая особенности тепломассообмена при наличии крупномасштабных структур, а также результаты исследования диапазона её применения.

Личный вклад автора.

Диссертантом сформулирована задача изучения крупномасштабных структур при горении, изучения их воздействия на процессы переноса в пограничном слое, исследование влияния на пограничный слой газодинамических возмущений разного масштаба.

Автору принадлежит основной вклад в создание экспериментальной установки с горением в пограничном слое, в исследовании её характеристик и адаптации к использованию различных зондовых и оптических методов измерений.

Автором проведена модернизация аппаратуры для газового анализа, отработана методика компенсации радиационных потерь термопар. Выполнен весь комплекс измерений тепловых и массовых потоков, структуры течения с использованием зондов, проведена обработка, анализ и обобщение данных, полученных в опытах с горением и без него.

Под руководством автора разработан метод измерений составляющих теплового потока, а также метод определения коэффициентов переноса, на которые получены авторские свидетельства [6,15].

Оптические измерения скалярных параметров (методы СКР, КАРС, ЛИФ) реализованы в результате совместной работы с С. Ю. Фёдоровым, который разработал систему сбора, хранения и обработки первичных данных оптических измерений. Вместе с ним создавалась оптическая схема и конструкция КАРС-спектрометра, на которую был получен патент [26], проведены исследования особенностей применения рэлеевского рассеяния в пламенах органических веществ, изучение возможностей измерения ЛИФ гидроксила, измерения температуры в струе продуктов горения твёрдого топлива при повышенном давлении. Вместе с ним и A.A. Волковым решена задача измерения корреляций, определения одновременно трёх параметров газа методом КАРС за один импульс лазерного излучения.

Вместе с В. И. Титковым отработаны методы использования аппаратуры ЛДА при измерениях скоростей газа в реагирующих потоках с высокой турбулентностью. С ним и с В. В. Лукашовым создана аппаратура для коррекции тепловой инерции термопары.

Вместе с С. Ю. Фёдоровым, А. А. Волковым и В. В. Лукашовым создан и отка-либрован радиометр, который был испытан на натурной котельной установке.

Апробация работы.

Результаты работы содержатся в трудах Минских международных форумов по тепломассообмену (MIF-1 — MIF-5), в сборниках докладов Российской национальной конференции по тепломассообмену (РНКТ-1 — РНКТ-3), в трудах Второго международного симпозиума по теплообмену, горению и энергопотреблению, Пекин-1988, в трудах Четвёртой международной конференции по теплои массообмену, Брюссель-1997, в трудах Международной конференции по методам аэрофизических измерений (ICMAR-1996, ICMAR-2002, ICMAR-2004), Российско-Корейского симпозиума RUSKO-2001, Международного симпозиума по горению и загрязнению атмосферы ISCAP-2003, Международного симпозиума по неравновесным процессам, горению и загрязнению атмосферы NEPCAP-2005.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, не считая тезисов докладов. В их числе 28 статей в рецензируемых отечественных журналах и.

глава в книге «Законы горения». Тринадцать работ переведены и изданы на английском языке.

Работа выполнена в период 1977;2005 г. в Институте теплофизики СО РАН, в лаборатории термохимической аэродинамики, руководимой член-корр. РАН Волчковым Э. П. Традиционным направлением исследований, проводимых в лаборатории, является изучение процессов переноса в пограничном слое с химическими и фазовыми превращениями. В результатах опытов по испарению и горению этанола в пограничном слое был обнаружен значительный (в несколько раз) разброс экспериментальных данных. Поиск причин такого разброса стал основным побудительным мотивом для выполнения настоящей работы.

Диссертация состоит из введения, трёх основных частей, в которых изложена суть работы, из дополнения и приложений.

выводы.

Таким образом, впервые получены систематические данные экспериментальных исследований о воздействии повышенной турбулентности и продольного градиента давления на реагирующий пограничный слой.

При отсутствии ускорения показано, что коэффициенты массопереноса на испаряющейся поверхности с горением и без горения близки между собой. Их различие обусловлено в основном особенностями массопереноса в переходном режиме течения. Крупномасштабные структуры, которые определяются как расслоение на уровни ламинаризованного массопереноса, устойчивы, они существуют при Яе~106. Показана применимость эмпирического соотношения Std- ^р0,332Кех" °'58с'2/3, ¥-р = 1,2,3,. для описания особенностей массопереноса в пограничном слое с крупномасштабными структурами. Абсолютная величина коэффициентов переноса (с горением и без него) изменяется от значений в стандартном ламинарном слое до уровня, свойственного течениям с отрывом.

Полученные данные показывают, что структура турбулизованного пограничного слоя отличается от модели «фронта пламени». Области определения радикалов не совпадают между собой и с положением максимума температуры, линии тока пересекают область максимальных температур.

Впервые проведены оценки скоростей образования продуктов сгорания и тепловыделения. Они показали, что вблизи области отрыва существуют значительные продольные градиенты этих параметров, скорость реагирования близка к нормальной скорости горения, с удалением от препятствия она снижается. Вблизи области максимальных температур отсутствует тепловыделение. Положение Ттах определяется теплообменом в объёме пограничного слоя и на стенке.

Получено интегральное соотношение для турбулизованного пограничного слоя. Показано, что при его использовании для анализа процессов переноса необходимы измерения анизатропии турбулентных пульсаций.

Показано, что в результате внешней турбулизации увеличивается толщина теплового пограничного слоя, при этом толщина динамического пограничного слоя изменяется мало. В диапазоне изменения внешних условий Ти0 < 18% при Л < 6 мм отмечена тенденция к сближению опытных данных с результатами расчетов для трения в ламинарном пограничном слое, в котором отсутствует турбулизация, вдув и горение.

В условиях опытов для препятствия высотой к = 3 мм во внешней области пограничного слоя до фронта пламени сохраняется турбулентный механизм переноса импульса. С увеличением высоты препятствия (к = 6 мм) область отрыва потока распространяется на весь пограничный слой.

Установлено, что за препятствием на расстоянии нескольких десятков его высот возникают области повторного присоединения. В них резко возрастает интенсивность процессов переноса, образуется стационарная последовательность зон, где повышенный уровень пульсаций скорости, температуры, где увеличена концентрация гидроксила.

Существование подобных крупномасштабных стационарных неоднородно-стей отражает присутствие за препятствием поперечных структур.

В канале с положительным продольным градиентом давления показано, что наиболее восприимчива к силовому воздействию высокотемпературная область пограничного слоя. В случае горения на стенке диффузора диапазон изменения коэффициентов переноса при увеличении угла раскрытия шире, чем без горения. Тенденция к ламинаризации массопереноса сохраняется для всех углов раскрытия.

По результатам опытов с горением и отрицательным продольном градиенте давления показано, что при внешней турбулизации интегральные масштабы пограничного слоя с горением существенно отличаются от масштабов не реагирующего течения. Толщина вытеснения превышает толщину потери импульса более, чем на порядок. Перенос импульса сопровождается повышением трения в десятки раз.

В ускоренном пограничном слое с горением линии тока пересекают изотерму «фронт пламени». Полнота сгорания увеличивается при турбулизации и снижается при ускорении, т. е. она высока в поперечных структурах и снижается в продольных образованиях.

Общее сопротивление сужающегося канала увеличивается при горении на его стенке и практически не меняется при турбулизации реагирующего пограничного слоя.

Показано, что в случае ускорения пограничного слоя наибольшее изменение скорости происходит вблизи фронта пламени. Образуется локальный максимум в профиле скорости, который исчезает с увеличением турбулентности основного потока.

В опытах по визуализации отмечено одновременное присутствие и чередование областей с поперечными и продольными неоднородностями. Получены количественные данные о параметрах продольных структур. Показано наличие встречного вращения в продольных структурах.

Установлено, что наличие крупномасштабных структур в пограничном слое вызывает повторяющуюся ламинаризацию процессов переноса. Она проявляется на фоне общей тенденции к развитию турбулентного массопереноса и вызывает расслоение опытных данных на уровни ламинаризованного тепломассообмена. Ламинаризация устойчива к увеличению турбулентности внешнего потока до 18%, она сохраняется при Ке~2−106.

Коэффициенты переноса изменяются от значений характерных для ламинарного течения Ч*р =1 до уровня, реализуемого в потоках с отрывом.

Показано, что расслоение на уровни ламинаризованного массообмена проявляется в пограничном слое без горения: в случае взаимодействия импактной струи с преградой, в задачах о теплообмене за ребром и уступом, о тепломассообмене на затупленной пластине и т. д. Расслоение сохраняется при Яе~106. Общим свойством в рассмотренных ситуациях является наличие замкнутого отрыва.

Показано, что известным экспериментальным данным по структуре пограничного слоя за областью отрыва не противоречит физическая модель с последовательным расположением нескольких областей присоединения, между которыми области с крупномасштабными продольными вихрями. В областях присоединения происходит ступенчатое возрастание тепломассообмена, в областях с продольными вихрями — ламинаризация процессов переноса.

ИТОГИ РАБОТЫ.

Определён осреднённый результат воздействия крупномасштабных структур на обтекаемую поверхность. Наличие структур в пограничном слое вызывает повторяющуюся ламинаризацию течения, которая происходит на фоне общей тенденции к развитию турбулентного тепломассообмена.

Обоснована физическая модель течения и тепломассообмена за областью рециркуляции. В пограничном слое образуется последовательность из областей присоединения, между которыми продольные вихри. В областях присоединения интенсивность тепломассообмена возрастает, а продольные структуры ответственны за ламинаризацию процессов переноса. С позиций этой модели проанализированы различные проблемные случаи взаимодействия потока с поверхностью. Предложено общее объяснение особенностей тепломассообмена в байпасном переходном режиме, которые проявились в них.

Установлены пределы влияния структур на параметры переноса в пограничном слое с внешними газодинамическими возмущениями. Интенсивность тепломассообмена варьируется от уровня, который характерен для ламинарных потоков, до значений в потоках с отрывом. Эффекты ламинаризации проу являются при Ле-Ю.

Создана аппаратура, использующая эффекты молекулярного рассеяния и флуоресценции для бесконтактных исследований реагирующих турбулентных высокотемпературных газовых потоков. Отработаны методы её применения.

Получена база экспериментальных данных о пограничном слое с горением в сложных условиях, о влиянии на тепломассообмен ускорения потока и его турбулизации, о взаимодействии турбулентности и горения. Показаны отличия реальной структуры турбулизованного реагирующего течения от положений модели «фронта пламени».